ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР Российский патент 2006 года по МПК G01C5/04 

Изобретение относится к геофизической аппаратуре и может быть использовано для регистрации вертикальных движений и наклонов земной коры, а также для инженерного контроля крупных объектов промышленного и научного значения (зданий, плотин ГЭС, АЭС, радиотелескопов, антенных комплексов, ускорителей элементарных частиц и т.п.).

Основными источниками ошибок в известных стационарных гидростатических нивелирах (ГН) являются градиенты температуры вдоль трассы нивелирования, колебания интегральной температуры всей измерительной системы, локальные изменения температуры гидростатических сосудов, перепады атмосферного давления между смежными наблюдательными станциями, движение рабочей жидкости в гидростатической системе, наклоны ГС и погрешность индикации уровней в ГС (Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М.: Недра, 1976. 167 с.).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ГН, в котором на трассе нивелирования параллельно установлены две измерительные системы, заполненные жидкостями с разными коэффициентами теплового расширения, каждая из которых снабжена трубопроводом и двумя гидростатическими сосудами (ГС) (Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М.: Недра, 1976. с.36-49). Решая совместно уравнения равновесия жидкостей в обеих измерительных системах, можно определить и исключить из результатов нивелирования погрешности, обусловленные влиянием температуры и ее градиентов.

К недостаткам этого ГН относятся малая точность определения температурных и термоградиентных (за перепады температуры между ГС разных измерительных систем) поправок, влияние атмосферного давления и его перепадов между станциями наблюдения, влияние локальных изменений температуры ГС и наклонов ГС, влияние гидродинамических помех и малая точность индикации уровней дистанционным методом.

В предлагаемом ГН, содержащем две параллельно уложенные соединительные трубки с ГС на концах, заполненные жидкостями с разными коэффициентами теплового расширения, и индикаторы уровней жидкости в ГС, концы одной из трубок (нижней) соединены с нижними частями ГС, а другой (верхней) - с верхними частями тех же ГС. Нижняя трубка и нижние части ГС заполнены тяжелой жидкостью, а верхняя трубка и верхние части ГС - легкой неэлектропроводящей жидкостью. Примыкающие к ГС участки нижней и верхней соединительных трубок проведены по их наружным боковым поверхностям до уровней границ раздела жидкостей в ГС и для обеспечения между ними максимального теплового контакта проходят по трассе нивелирования вместе. Это обеспечивает также независимость положений уровней в ГС от локальных наклонов их корпусов. При этом поплавки выполнены из диэлектрика в виде вертикальных полых цилиндров с открытыми основаниями, к нижним из которых прикреплены грузы. Они разделены герметичными перегородками на верхние и нижние отсеки. Верхние отсеки и верхние части нижних отсеков заполнены легкой жидкостью, нижние части нижних отсеков заполнены тяжелой жидкостью, а плотности тяжелой и легкой жидкостей и их коэффициенты объемного расширения подобраны так, чтобы температурные приращения их плотностей были одинаковыми. Для этого одна из рабочих жидкостей, например легкая, синтезирована из двух жидкостей с разными значениями плотности ρ и объемного коэффициента теплового расширения β. Компоненты синтезируемой жидкости хорошо смешиваются между собой, но не смешиваются с тяжелой жидкостью. При этом независимость от температуры архимедовых сил, действующих на поплавки, обеспечивается подбором высоты столбов легкой жидкости в нижних отсеках, площадей оснований поплавков по внутренним диаметрам и объемов стенок поплавков. Индикаторы уровней жидкости в ГС выполнены в виде емкостных преобразователей перемещений с изменяемыми площадями перекрытия обкладок, роторные обкладки которых нанесены в виде колец на внутренние боковые поверхности верхних частей цилиндрических поплавков, а статорные - на внешние боковые поверхности коаксиальных им цилиндров из диэлектрика, подвешенных к корпусу на гибких тягах. Такая конфигурация обкладок обеспечивает их параллельность и независимость показаний емкостных преобразователей от локальных наклонов ГС. Чтобы исключить также влияние гидродинамических помех один из ГС с приводом от исполнительного механизма (электромотора), соединенного с индикатором уровня жидкости по схеме отрицательной обратной связи, установлен на вертикальной направляющей штанге с возможностью перемещения по ней. Это обеспечивает неизменность положений границ раздела жидкостей в ГС, а мерой относительных вертикальных перемещений ГС является отклонение подвижного ГС от начального положения на направляющей штанге. Таким образом, измерения проводятся нулевым методом.

На фиг.1 показан вертикальный разрез гидростатического нивелира.

Нижние и верхние части двух цилиндрических ГС 1, 2 соединены двумя эластичными трубками 3, 4 соответственно. Нижняя трубка 3 и нижние части ГС заполнены тяжелой жидкостью, а верхняя трубка 4 и верхние части ГС - более легкой непроводящей жидкостью, не смешивающейся с тяжелой. Для индикации уровней жидкостей на границах их раздела в ГС размещены поплавки 5 и 6 в виде соосных последним тонкостенных цилиндров из диэлектрика, разделенных жесткими горизонтальными перегородками 7 и 8, расположенными ближе к нижним основаниям цилиндров, на верхние и нижние отсеки. Верхние отсеки заполнены легкой неэлектропроводящей жидкостью, а нижние отсеки частично заполнены легкой жидкостью, частично - тяжелой. Как будет показано далее, такая конструкция поплавков позволяет компенсировать изменения действующих на них архимедовых сил, обусловленных температурными изменениями плотности жидкостей.

Для устранения влияния на уровни жидкостей в ГС колебаний их локальных температур нижняя 3 и верхняя 4 соединительные трубки обеих ГС скреплены между собой на уровне границ раздела жидкостей, а для предотвращения движения жидкостей в трубках положения этих границ автоматически поддерживаются на фиксированных метках за счет вертикальных перемещений одного из ГС с помощью исполнительного механизма 9, управляемого емкостным преобразователем вертикальных перемещений поплавков. Роторные обкладки преобразователя нанесены в виде множества узких горизонтальных проводящих колец с промежутками на внутренние боковые поверхности поплавков 5, 6, а аналогичные статорные обкладки нанесены на внешние боковые поверхности коаксиальных поплавкам колец 10, 11 из диэлектрика, подвешенных к корпусам ГС на гибких тягах 12, 13. Такая подвеска обеспечивает сохранение параллельности статорных и роторных обкладок при неизбежных малых наклонах ГС и в сочетании с вышеупомянутым расположением соединительных трубок обеспечивает независимость показаний преобразователя от малых наклонов.

Для обеспечения компенсации градиентов температуры вдоль трассы нивелирования жидкости подобраны так, чтобы выполнялось соотношение

где ρ₁ и ρ₂ - плотности соответственно тяжелой и легкой жидкостей, β₁ и β₂ - их коэффициенты объемного расширения. Это соотношение легко получить из условия равенства температурных приращений давлений столбиков жидкости в трубках 3 и 4, которые на трассе нивелирования, для обеспечения максимального теплового контакта, связаны в один пакет.

Поскольку подобрать две однородные жидкости, удовлетворяющие условию (1), практически невозможно, то одна из них, например легкая, должна быть синтезирована из двух смешивающихся между собой (но не смешивающихся с тяжелой жидкостью) жидкостей с разными параметрами путем экспериментального подбора нужной концентрации, т.е. предлагаемый ГН является по сути трехжидкостным.

Компенсация влияния колебаний локальной температуры ГС на положение поплавка происходит следующим образом. При повышении температуры, например, плотность жидкости уменьшается и, как следствие, уменьшается архимедова сила, действующая на поплавок. Расширение легкой жидкости, изолированной в нижнем отсеке поплавка с помощью перегородок с пробками 7 и 8, приводит, наоборот, к увеличению архимедовых сил. Объем этой жидкости подобран так, чтобы увеличение действующей на нее архимедовой силы в точности скомпенсировало уменьшение архимедовой силы, действующей на поплавок, в результате чего его положение относительно границы раздела жидкостей в ГС остается неизменным.

Уравнение равновесия поплавка имеет вид

где Р - вес поплавка, m - его масса, g - ускорение силы тяжести, h₀=const - расстояние по вертикали от перегородок 7 или 8 до границы раздела жидкостей в ГС, h(t) - высота столба легкой жидкости в нижнем отсеке, Δh - толщина перегородок, S - площадь основания поплавка по внутреннему диаметру, V₁ и V₂ - объемы стенок частей поплавка, находящихся соответственно ниже и выше границы раздела жидкостей в ГС, t - температура ГС.

Продифференцировав уравнение (2) по t, выполнив соответствующие преобразования с учетом (1) и пренебрегая при этом членами, содержащими β², приходим к уравнению

где V=(V₁+V₂) - объем поплавка. С другой стороны, как нетрудно убедиться,

Подставляя, после несложных преобразований с учетом (1), получаем

Итак, выполнение соотношений (1, 5, 6) устраняет влияние градиентов температуры по трассе нивелирования и обеспечивает независимость положений поплавков относительно уровней жидкости в ГС от их локальных температур. Однако локальные температуры могут влиять и на сами уровни за счет локальных температурных изменений плотности жидкостей. Чтобы избежать этого, как уже отмечалось, нижняя и верхняя соединительные трубки сведены у границы раздела жидкостей в ГС, как показано на фиг.1, с тем, чтобы трубки на этих участках образовали бы с соответствующими ГС U-образные сообщающиеся сосуды и имели бы с ними одинаковые температуры. При этом, как очевидно из рисунка, автоматически компенсируется и влияние малых локальных наклонов ГС на положение уровней в них.

Ввиду герметичности системы и отсутствия в ней свободных объемов изменение интегральной температуры системы приводит лишь к изменению общего давления в ней и не влияет на измерения. По той же причине не влияют на измерения и перепады атмосферных давлений между станциями. Для устранения гидродинамических помех используется известный прием: уровни жидкостей в ГС автоматически поддерживаются в одном и том же положении с помощью исполнительного механизма 9, т.е. измерения проводятся нулевым методом. При этом индикатором нуля служит емкостный преобразователь, а мерой относительных вертикальных перемещений ГС - отклонение подвижного ГС от начального положения на направляющей штанге.

Таким образом, можно резюмировать, что в предлагаемом ГН практически устранены влияния градиентов температуры по трассе нивелирования (за счет подбора параметров жидкостей), колебаний интегральной температуры измерительной системы и перепадов атмосферного давления между станциями (за счет герметичности системы и отсутствия в ней свободных объемов), локальных изменений температуры ГС и их наклонов (за счет специального расположения соединительных трубок вблизи ГС, подвешивания статорных обкладок к корпусу и наличию системы термокомпенсации поплавка), гидродинамических помех (за счет автоматической установки уровней) и погрешностей индикации уровней (за счет использования прецизионного широкодиапазонного емкостного преобразователя перемещений).

Помехозащищенность предлагаемого гидронивелира позволит устанавливать его в неглубокой траншее и тем самым уменьшить затраты на создание и эксплуатацию стационарной нивелирной сети для сейсмопрогностических наблюдений.

Гидростатический нивелир (ГН) относится к геофизической аппаратуре и состоит из двух параллельно уложенных соединительных трубок с гидростатическими сосудами (ГС) на концах, заполненных жидкостями с разными коэффициентами теплового расширения, и индикаторов уровней жидкости в ГС. Заявлен гидростатический нивелир, в котором концы одной из соединительных трубок (нижней) соединены с нижними частями ГС, а другой (верхней) - с верхними частями тех же ГС. Нижняя трубка и нижние части ГС заполнены тяжелой жидкостью, верхняя трубка и верхние части ГС - легкой неэлектропроводящей жидкостью. Примыкающие к ГС участки нижней и верхней соединительных трубок проведены по их боковым поверхностям до уровней границ раздела жидкостей в ГС и проходят по трассе нивелирования вместе. Поплавки выполнены из диэлектрика в виде вертикальных полых цилиндров с открытыми основаниями, к нижним из которых прикреплены грузы. Поплавки разделены герметичными перегородками на верхние и нижние отсеки, при этом верхние отсеки и верхние части нижних отсеков заполнены легкой жидкостью, нижние части нижних отсеков заполнены тяжелой жидкостью. Индикаторы уровней жидкости в ГС выполнены в виде емкостных преобразователей перемещений с изменяемыми площадями перекрытия обкладок, роторные обкладки которых установлены на поплавках, а статорные подвешены к корпусу на гибких тягах. Один из ГС с приводом от исполнительного механизма (электромотора), соединенного с емкостным преобразователем по схеме отрицательной обратной связи, установлен на вертикальной направляющей штанге с возможностью перемещения по ней. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидростатический нивелир, содержащий две параллельно уложенные соединительные трубки с гидростатическими сосудами (ГС) на концах, заполненные жидкостями с разными коэффициентами теплового расширения, и индикаторы уровней жидкости в ГС, отличающийся тем, что концы одной из трубок (нижней) соединены с нижними частями ГС, а другой (верхней) - с верхними частями тех же ГС, нижняя трубка и нижние части ГС заполнены тяжелой жидкостью, верхняя трубка и верхние части ГС - легкой неэлектропроводящей жидкостью, а примыкающие к ГС участки нижней и верхней соединительных трубок проведены по их боковым поверхностям до уровней границ раздела жидкостей в ГС и проходят по трассе нивелирования вместе в тепловом контакте друг с другом, при этом поплавки выполнены из диэлектрика в виде вертикальных полых цилиндров с открытыми основаниями, к нижним из которых прикреплены грузы и разделены герметичными перегородками на верхние и нижние отсеки, верхние отсеки и верхние части нижних отсеков заполнены легкой жидкостью, нижние части нижних отсеков заполнены тяжелой жидкостью, а плотности тяжелой и легкой жидкостей, соответственно ρ₁, ρ₂, их коэффициенты объемного расширения β₁, β₂, высота столбов легкой жидкости в нижних отсеках h, площади оснований поплавков по внутренним диаметрам S и объемы стенок поплавков V удовлетворяют соотношения

причем одна из рабочих жидкостей, например легкая, синтезирована из двух жидкостей с разными значениями ρ и β, смешивающихся между собой, но не смешивающихся с тяжелой жидкостью, а индикаторы уровней жидкости в ГС выполнены в виде емкостных преобразователей перемещений с изменяемыми площадями перекрытия обкладок, роторные обкладки которых нанесены в виде колец на внутренние боковые поверхности верхних частей цилиндрических поплавков, а статорные - на внешние боковые поверхности коаксиальных им цилиндров из диэлектрика, подвешенных к корпусу на гибких тягах.