Гидростатический нивелир Советский патент 1985 года по МПК G01C5/04 

Изобретение относится к геоде зическому приборостроению и предназначено в частности для определения превышений между точками на местности. Известен гидростатический нивели содержащий два блока с устройствами для перераспределения давления жидкости, включающими сосуды, заполнен ные жидкостью с удельным весом меньшим, чем у жидкости, заполняющей основные сосуды, и снабженные мембранами и ограничительными сетка ми, причем ограничительные сеткиосновных и дополнительных сосудов установлены на одной высоте Cl J. Недостатками этого устройства являются сложность его конструкции и значительная материалоемкость вследствие использования в системе ртути и средств герметизации. Известен гидростатический нивели состоящий из двух одинаковых измерительных блоков о Каждьй блок включает датчик давления (манометр) перераспределительное устройство, выполненное в виде дополнительной емкости, снабженной верхней двойной стенкой с небольшим регулируемым зазором. Внутренняя стенка выполнен в виде тонкой эластичной оболочки (мембраны), а внешняя - в виде мелкой жесткой сетки. Вся. система запо нена жидкостью . Недостатком известного нивелира является то, что с его помощью можно производить измерение только пол жительных превьш1ений на местности (контролируемая точка всегда должна быть ниже опорной). При отрицательных превьшениях мембрана перераспре делительного устройства под действи ем атмосферного воздуха хотя и прогибается во внутрь, но высота столб. Кости в перераспределительном устройстве не изменяется, а следовательно, не изменяется и давление в камере. Это происходит вследствие того, что при нулевом превышении по верхность мембраны находится на уровне периметра ее крепления. В св зи ,с этим при изменении отрицательных превышений необходимо либо переставить устройство, либо отсчет превышений вести путем регистрации изменения давления жидкости в другом сосуде (в опорной точке). Следо вательно, наблюдателю либо потребуется переходить с точки на точку, либо наблюдателей должно быть, два, каждый из которых должен вести журнал съемки. Это усложняет процесс измерения и снижает точность работ. Целью изобретения является расширение диапазона измерений путем знакопеременных превьш1ений из одной точки и повьш1енне точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в гидростатическом нивелире, содержащем измерительный блок, выполненньй в виде манометрического датчика, снабженного перераспределительным устройством, содержащем емкость, заполненную жидкостью, с эластичной мембраной, охваченной снаружи ограничительной сеткой, измерительный блок снабжен дополнительным манометрическим датчиком, подключенным через введенное запорное устройство к основному датчику и перераспределительному устройству, эластичная мембрана И ограничительная сетка которого выполнены выпуклыми, причем начальный прогиб в центрах мембраны и сетки f соответствуют условию 17 f MdKcP/ -j /MdKcl ) где величина перемещения центра мембраны и сетки; -коэффициент формы сетки-, -жесткость сетки-, - плотность жидкости; -ускорение свободного падеэффективная площадь мембраны (сетки); ««кс максимальная величина превышения, а чувствительность дополнительного манометрического датчика 5q соответствует условию где So - чувствительность основного манометрического датчика. На фиг.1 изображена схема устройства в положении нулевого превьш1ения на фиг.2 - схема устройства при измерении положительного превышенияJ

а фиг.З - то же, при измерении отицательного превьшения.

Гидростатический нивелир состоит з перераспределительных устройств 1 и 2 и гибкого соединительного шлан- 5 га 3 заполненных рабочей жидкостью. На границе раздела жидкости и атмосферного воздуха в камере 4 перераспределительного устройства 1 уставов-, лены предварительно деформированная О на величину f мембрана 5 и прилегающая снаружи ограничительная сетка 6, выполненная, например, в виде сферы, ограничивающей рабочую поверхность мембраны 5. В сетке 6 t5 имеются отверстия для доступа воздуха в пространство между нею и мембраной. Размеры отверстий таковы, что они обеспечивают свободное перемещение воздуха и не оказьюают от- 20 рицательного действия на технические характеристики нивелира. В камере 4 перераспределительного устройства 1 контролируемой точки размещен измерительный блок, вьшолнен- 25 ный в виде манометрических датчиков 7 и 8, шкалы которых проградуированы в единицах превышения. Датчик 7 чувствительнее датчика 8, соединен с запорным устройством 9, отре- 30 гулированным на нулевое (базовое) давление (Н g) соединяющим датчик 7 с датчиком 8 и перераспределительном устройством 1. Это же давление принято за нуль в датчике 8.

Аналогичной конструкции мембрана 5 и сетка 6 установлены в камере перераспределительного устройства 2.

На границе раздела жидкости и 40 атмосферного воздуха в перераспределительных устройствах могут быть установлены прилегающие одна к другой мембрана и сетка различного конструктивного исполнения. Например, мем- 45 брака включает основание, соединенное с периметром крепления тонкой эластичной оболочкой {не показано) и др. Однако с цепью унификации перераспределительных устройств их же- 50 лательно выполнить одинаковыми.

Прибор работает следукнцим образом.

Перераспределительное устройство 1 устанавливается в контролируемой 55 точке, а перераспределительное устройство 2 - в опорной точке на местности. При положительном превышении.

перераспределительное устройство 1 расположено ниже перераспределительнего устройства 2. Давление столба жидкости высотой передается в камеру 4 перераспределительного устройства 1. При этом запорным устройством 9 отключается датчик 7 и давление действует только на манометр 8, стрелка которого отклоняется вправо от нулевого положения. Одновременно давление столба жидкости высотой +h передается- на мембрану 5 и сетку 6 и вызывает их совместную деформацию, пропорциональную текущей высоте столба жидкости. При этом в камере перераспределительного устройства 2 освобождается некоторьй объем и-, поскольку жесткость мембраны 5 незначительна, под действием атмосферного давления она прогибается на величину Л., , исключая тем самым образование вакууметрического давления. Сетка 6 перераспределительного устройства 2 в этом случае остается в нейтральном положении (не работает).

При отрицательном превышении перераспределительное устройство 1 расположено выше перераспределительного устройства 2. Давление столба жидкости высотой -h передается на мембрану 5 и сетку 6 перераспределительного устройства 2 и вызывает их совместную деформащ1ю, пропорциональную высоте столба жидкости -h. При этом в камере перераспределительного устройства 1 освобождается некоторый объем и, поскольку жесткость мембраны 5 незначительна, под действием атмосферного воздуха она прогибается, изменяется высота жидкости на величину Л. Запорное устройство 9 включает чувствительный датчик 7 и уменьшение высоты жидкости в камере Н g (пропорциональное измеряемому превышению -Ьз.) фиксируется чувствительным манометром 7, стрелка которого отклоняется от нулевого положения. Допустимая величина отрицательного превышения ограничивается величиной ,с перемещения центра предварительно деформированной мембраны 5 перераспределительного устройства 1 до момента, когда ее поверхность станет на уровень с периметром крепления.

Работа прибора аналогична описанной и в том случае, когда манометры

ь

7 и 8 установлены в перераспреде- лительном устройстве 2.

Величина начального прогиба f мембраны и сетки, т.е. максимальное расстояние от рабочей поверхности мембраны (сетки) до плоскости их крепления, должно больше текущих (рабочих) прогибов, т.е.

f М«кс 1 (1) где 7(цо,с текущие (рабочие)

прогибы.

Известно аналитическое выражение, определяющее величину прогиба в центре плоской мембраны

PR

0,654

г) Et

где f - прогиб в центре плоской

мембраны (сетки)} R - радиус мембраны (сетки)j i - толщина мембраны (сетки)j Е - модуль упругости. Однако они малоприемлемы для расчета предварительно деформированных мембран (расчет получается- сложным и дает приближенный результат). Зная, что величина текущих перемещений центра предварительно деформированной мембраны Л под действием давления жидкости F pghA изменятся пропорционально коэффициенту ее жесткости К, можно зацисать

Л. , (3) где f - плотность рабочей жидкости; - ускорение свободного падения;

Л - эффективная площадь мембраны;

hi - величина превышения. Отсюда

1,.

Однако жесткость К для мембран различной формы величина переменная. Так в случае, когда мембрана,работает в области малых перемещений (ее максимальный прогиб не превышает 1/4 -толщины мембраны)к ее расчету применима линейная теория изгиба пластинок. В случае же больших прогибов .следует использовать результаты нелинейной теории изгиба пластинок. Чтобы в соответствии с этой теорией учесть непропорциональность деформации мембраны от приложенной силы, необходим коэффициент, напри1747476

мер, К - коэффициент формы сетки (так как при деформации гибкая мембрана всегда принимает форму сетки) . 5 Тогда ,

A-f

(}

10 или

,i . лб)

Зная f.f t можно установить f15 величину начального прогиба (выпуклость) мембраны и сетки из условия

|- 1м«кс| i

(т)

где максимальная величина првьшения.

Кроме того, зная можно определить необходимую чувствительность дополнительного манометрического датчика 7.

Зависимость между отклонением у подвижной системы монометрйческого датчика и измеряемой величиной х носит линейный характер.

Для основного и дойолнцтельного датчиков можно записать

ц,

,

8

Для чувствительности датчиков имеем

9

Vv

О)

поскольку первая производная от характеристики шкалы является чувствительностью датчика которая характеризуется коэффициентом пропорциональности а,

5j -- /

(о)

Подставив значения а и а из уравнения (8) и (9), получаем

Vi

01)

й Приняв отклонения подвижной системы основного и дополнительного датчиков равными (у- У) при измерении одного и того же по абсолютно .величине превышения ih|, получаем 5 h а так как Я , то Форма выпуклости мембраны и се-пс может быть любого конструктивного и полнения, например в виде цилиндра, полусферы, конуса и т.п., поскольку при измерении отрицательных превышений величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, а определяется высотой столба жидкости в нем. По сравнению с известным предлагаемое устройство упрощает процесс нивелирования путем измерения знакопеременных превышений из одной точки, обеспечивает возможность выполнения работ одним наблюдением, повышает производительность при верти1сальной съемке местности в 1,5-2 раза.

ГВДРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИРj содержа1ций измерительный блок, вы- . полненный в виде манометрического датчика, снабженного перераспределительным устройством, содержащим емкость заполненную жидкостью, с эластичной мембраной, охваченной снаружи ограничительной сеткой, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений путем знакопеременных прев} 1шений из одной точки и повышения точности измерений измерительный блок снабжен дополнительным манометрическим датчиком, подключённым через введенное запорное устройство к основному датчику и перераспределительно му устройству, эластичная мембрана и ограничительная сетка которого выполнены выпукльа ш, причем начальный прогиб в центрах мембраны и сетки- соответствуют услрвно J I MOlKcl j I MOIKcIl где н(«lic величина перемещения центра мембраны и сетки - коэффициент формы сетки} - жесткость сетки} р - плотность жидкости; I - ускорение свободного падения-; (П - эффективная площадь мембраны (сетки){ максимальная величина прем«кс вышения, а чувствительность дополнительного манометрического датчика 5в соответствует усло: вию к; МЙКС ;ЧП 5„ чувствительность основногде го манометрического дат- чика.