Нивелир

Нивелир — основен мерен инструмент за мерење на висински разлики кај геодетските мерења. Основниот принцип се заснова на делувањето на силата на Земјината тежа, односно доведување на визурната оска на дурбинот во хоризонтална положба. Тоа се постигнува со примена на либела или компензатор. Со користење на нивелир, висинските разлики се добиваат од директни мерења. Нивелманската летва треба да биде вертикално поставена во просторот, што се постигнува со кружната либела.
На долниот дел на нивелирот се наоѓаат три подножни винта кои служат за хоризонтирање на инструментот. Горниот дел се врти околу главната (вертикалната) оска, а воедно е и носач на дурбинот. Главната оска мора да осигура стабилност на инструментот и многу правилно завртување на останатите подвижни делови, што изискува посебен квалитет на материјалот и прецизна изработка.
1 Дурбин
Основната операција при геодетските мерења, без разлика дали се работи за мерење на правец или мерења на нивелманска летва, е визирањето. За таа цел служи дурбинот. Основните делови на дурбинот се: објектив, кончен крст и окулар. Објективот служи за пресликување на предметите (визурни марки) од просторот на предметот во просторот на сликата. Сликата на предметот која ја твори објективот мора да се наоѓа во рамнината на крстот (ако не е таков случајот доаѓа до паралакса на крстот).
Дурбинот е оптички инструмент чија основна намена е зголемување на видниот агол при посматрање на оддалечени предмети. Дурбинот е граден од објектив и окулар. Објективот е собирен оптички систем кој твори реална меѓуслика на оддалечените предмети по законите на оптичкото пресликување. Предметот на посматрање се наоѓа на оддалеченост поголема од 2 фокуси на објективот, па сликата која ја твори објективот е смалена, реална и превртена. Окуларот ја зголемува реалната меѓуслика која се посматра. Зад окуларот се наоѓа окото на мерачот, заради што дурбинот е субјективен оптички инструмент. Мерниот дурбин (го направил Кеплер во 1611 година) во рамнината на зададеното видно поле има вградена стаклена плочка со крст.
2 Мерење со нивелир
Диоптрирање е постапка на изострување на сликата на кончениот крст со вртење на тубусот на окуларот. Окото треба да ја види сликата на кончениот крст остро во состојба на мирување на акомодацијата. Положбата во која треба да се постави окуларот пред мерењето со дурбинот е само една и во текот на мерењето не смееме да ја менуваме. Окуларот го одвртуваме толку сликата на кончениот крст да не биде остра. Го завртуваме окуларот кон плочката со кончениот крст до најповолната острина. Ја читаме положбата на диоптриската скала, па во иста насока го завртуваме окуларот отприлика за 0,5 диоптрии. Со тоа окуларот сме го довеле во оптимална положба, а окото во состојба на мирување на акомодацијата.
Со визирање го наведуваме кончениот крст (т.е. неговата слика) на целната точка (визурна точка, објект). Во првата положба на нивелирот грубо се визира визурната точка преку нишанот на дурбинот така што сликата на објектот се доведе во видно поле. По грубото визирање, при закочен горен дел и дурбин, со винтовите за фино дотерување на дурбинот фино визираме, ги доведуваме конците на кончениот крст на мерниот објект.
Визурната оска е одредена со правецот кој поминува кој поминува во пресекот на главните конци на кончениот крст и главната точка на објективот. Рамнината која ја опишува визурната оска при ротација околу хоризонталната оска на нивелирот се нарекува визурна рамнина.
Под поимот визура се подразбира множество точки низ кои поминува зракот светлина од визурната точка низ атмосферата до објективот на дурбинот, и потоа до пресекот на кончениот крст. Заради влијание на рефракцијата, визурата во просторот е благо закривена крива.
Пред финото визирање потребно е да се изостри сликата на посматраниот објект. Сликата на мерниот објект мора да биде остра и треба да се наоѓа во рамнината на кончениот крст. Според конструкцијата на дурбинот постојат два начина на изострување:
* Надворешно изострување – окуларот заедно со кончениот крст се поместува во цевката на објективот. Должината на дурбинот е променлива и зависи од оддалеченоста на посматраната точка. Недостаток на ваквиот начин на изострување е во тоа што поместувачката окуларна цевка е изложена на надворешни оштетувања и влијанија.
* Внатрешно изострување – дурбинот е затворена целина, далечината е константа. Изострување се врши со поместување на еден оптички елемент, леќата или огледалото. Кај денешните дурбини на нивелирите најчесто се поместува негативниот член на објективот. Колку објектот е поблиску, фокусната далечина е пократка, негативниот член е поблиску до кончениот крст.
Окото заедно со дурбинот ја чинат оптичката целина, па спрема тоа визирањето е субјективно физиолошко-оптичка појава. Точноста на визирањето зависи од многу фактори како што се: осветлувањето, контрастот и обликот на мерниот објект, обликот и дебелината на конците на кончениот крст, паралаксата на кончениот крст, оддалеченоста на објектот, состојбата во атмосферата, физиолошките и оптичките својства на операторот и психолошките влијанија.
3 Либела
Кај геодетските инструменти либелите служат за поставување на оската во вертикална или хоризонтална положба, а исто така се користат и кај геодетскиот прибор. Според обликот либелите може да се поделат ана цевчести и кружни.
3.1 Цевчеста либела
Цевчестата либела првпат се применила во 1661 година. Се состои од стаклено цевче кое од внатрешната страна е брусено во бочвест облик. Полно е со течност со ниска точка на мрзнење (под -50˚C), алкохол или етер.
Од надворешната страна на либелите изгравирана е поделба која може да биде континуирана или симетрична. Средната точка на поделбата се нарекува марка на либелата. Осетливоста на либелата се мери со средишниот агол кој одговара на лакот од еден парс (ε). Тоа е агол на промена на наклонот на либелата при поместување на меурот за еден парс. Најпрецизните либели имаат осетливост од 1’’ до 2’’. Осетливоста кај геодетските инструменти се движи од 10’’ до 120’’. Исправно посматрање на поделките на либелата е вертикално посматрање на поделбата. Температурата влијае на должината на меурот на либелата. Либелата на дурбинот е поставена паралелно со визурната оска на дурбинот и служи за поточно поставуавање на дурбинот т.е. визурната оска во хоризонтална положба.
3.2 Кружна либела
Кружната либеа датира од 1770 година. Се применува за грубо хоризонтирање. Горната плоча на либелата е дел од кугла. Од надворешната страна на стаклото се наоѓаат еден или повеќе концентрични кругови. Средиштето на круговите е марка на либелата. Оската на кружната либела проаѓа низ марката и средиштето на закривеноста на внатрешната брусена плоча. Кога меурчето се наоѓа во средината на крукчето, либелата е наместена, оската на либелата е вертикална во просторот. Осетливоста на кружната либела се движи од 2’ до 30’, па се користи за грубо хоризонтирање на инструментот и приборот.
4 Мерење на висински разлики
Со користење на нивелир, висинските разлики се одредуваат со отчитување на нивелмански летви, кои се поставуваат вертикално со помош на кружни либели на точките на кои се одредуваат висински разлики. Притоа, визурната линија треба да биде во хоризонталната рамнина. Нивелирот се поставува на статив, по правило во средина меѓу точките чија висинска разлика се одредува.
За одредување на висинската разлика меѓу оддалечени точки, потребно е постепено да се пренесуваат висините од точка до точка. Висината на некоја точка на Земјината површина е оддалеченоста на таа точка од средното ниво на површината на морето. Нивото на површината на морето се одредува со долгогодишно посматрање со инструменти – мареографи.
5 Поделба на нивелирите
Според точноста нивелирите ги делиме на основа на средната висинска разлика на 1 м на км двострано нивелирање:
* Нивелири со највисока точност ≤ 0,5 мм / км
* Нивелири со висока точност ≤ 1,0 м / м
* Нивелири со добра точност ≤ 3,0 мм / км
* Нивелири со средна точност ≤ 8,0 мм / км
* Обични или едноставни нивелири > 8 мм / км
Според намената нивелирите се делат на:
* Прецизни нивелири
* Инженерски нивелири
* Градежни нивелири
Според начинот на хоризонтирање на визурната линија нивелирите се делат на:
* Нивелири со либела
* Дигитални нивелири
6 Нивелири со компензатор
Денес најмногу се користат нивелири со компензатор кои овозможуваат автоматско хоризонтирање на геодетската визурна линија во работното подрачје на компензаторот. Компензаторот е оптичко-механички склоп, кој во работното подрачје (одот) автоматски го компензира влијанието на наклонот на вертикалната оска на положбата на визурната оска, т.е. ја доведува хоризонтално во просторот. Компензаторот работи на принцип на физичко нишало. Компензаторот кај најголем број нивелири е сместен во куќиштето на дурбинот, меѓу објективот и кончениот крст.
Првата конструкција на нивелир, каде како компензатор се применува оптички елемент на нишало, датира од 1950 година (првиот нивелир е изработен во фабриката Цајс-Оптон, Оберкохен, тогашна Западна Германија). Задачата на компензаторот е да при наклонет дурбин (т.е. наклонета вертикална оска) во подрачјето на компензација, обично од 5’ до 30’, автоматски ги отстрани зраците на снопот, така што визурната линија биде во хоризонтална во просторот.
Уредот за компензација е сложена оптичко-механичка градба, каде како компензатор се нарекува само подвижниот елемент. Како подвижни оптички елементи се користат: призми за рефлексија (правоаголни, систем призми), рамно огледало, аголно огледало, леќа, а во некои случаи и течност. Во самиот компензатор се наоѓа и оптички систем од повеќе оптички елементи кои се неподвижни.
7 Грешки на нивелирот
Како и кај теодолитот, така и кај нивелирот, се испитува исправноста на поедини оски: исправност на главната оска, визурната оска, оската на кружната либела. Главната или вертикална оска на нивелирот за време на мерењето мора да биде вертикална. Визурната оска мора да биде хоризонтална во просторот. Оската на кружната либела треба да биде паралелна со главната оска. При нивелирање главен услов на нивелирот е да при вертикална положба на главната оска, визурната оска мора да биде хоризонтална во просторот. Ако условот не е задоволен, како последица е грешка на висинската разлика при нееднакви оддалечености на нивелманската летва од нивелирот. Сите останати услови се споредни.
8 Додатоци на нивелирот
* Планпаралелна плоча како микрометарски винт може да биде вградена пред објективот на дурбинот или самостојно како додаток пред објективот. Се применува кај нивелири со најголема точност или кај прецизните нивелири.
* Објективна призма за отклон на зраците на светлоста за 90°. Се применува за доведување на визурната оска во вертикалната рамнина.
* Предлеќа како додаток на објективот за визирање на многу блиски точки или отчитување на линеали.
* „Скршен“ окулар за посматрање низ дурбинот одозгора.
* Додаток за осветлување на кончениот крст.
* Ласерски окулар за проекција на кончениот крст со ласерска светлина при мерење во темни простории ( на пр. тунел)
* Изменливи окулари за различни зголемувања на дурбинот.
9 Дигитален нивелир
9.1 Оптика и механика
Дигиталниот нивелир е изработен исто како и нивелирот со компензација. Оптичките и механичките делови се исти. Со дигитален нивелир може да се изведуваат класични визуелни мерења. Дигиталниот нивелир има вградена делбена коцка која има улога на делител на зрачењето (светлината). Делбенета коцка ја дели инфрацрвената светлина од видливата. Инфрацрвената светлина (слика) ја отклонува кон фотодиодите поредени во еден ред, а видливата светлина (слика) ја отклонува кон кончениот крст. Во редот се наоѓаат 256 фотодиоди на приближна должина од 6,5 мм.
9.2 Електроника
Фотодиодите ја претвораат сликата на кодираната (дигитална) поделба во аналоген видеосигнал. Сигналот оди во аналогно-дигитален претворувач, а потоа податоците одат во обработувачот на обработка. После обработката на мерните сигнали во обработувачот, на екранот се прикажува далечината до летвата и отчитувањето на летвата. Со тастатурата се внесуваат разни бројчени податоци и се управува со работата на нивелирот.
Мерните податоци се регистрираат во модулот за регистрација на податоци. Нивелирот има низа програми кои овозможуваат контрола и обработка на добиените податоци – отчитување на летвата, далечина, број на точки, стојалиште, висински разлики и др. Податоците се пренесуваат на сметач за понатамошна обработка. Со дигиталниот нивелир постои специјална летва, која како поделба има бинарен код – кодирана летва. Од другата страна на летвите обично се наоѓа класична поделба во единици за должина. Таа поделба служи при визуелно мерење. Кодираните летви се со должина од 1,35 m, 2,70 m, или 4,05 m.
10 Поврзано
* Теодолит
* Ротациски ласерски нивелир
* Тотална станица