Устройство для определения изменений рефракции Советский патент 1993 года по МПК G01C5/00 

Я

XJ

О

со ю го о

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к геодезическим приборам для определения изменений атмосферной рефракции в условиях горных выработок .- ;. ;, / : . .. : -.

Известны методические приемы, основанные, .на использовании геодезических приборов, позволяющие оценивать уровень рефракции по наблюдениям колебаний изображений штрихов нивелирных реек. Такие способы используются в геодезии, однако они не позволяют получить количественную характеристику явления и при производстве маркшейдерских работ применения не нашли.

Более удобными для измерения величины рефракции в горных выработках являются устройства, основанные на использовании свойства наклоняющегося оптического клина, компенсирующего дивергенцию пучка световых лучей.

Известно также выбранное в качестве прототипа устройство для определения изменений рефракции, содержащее последовательно расположенную телескопическую систему, узел смещения визирного луча с микрометром, оптический клин и визирную цель, в котором оптический клин жестко связан с узлом смещения визирного луча. Устройство позволяет определить величину рефракции на основании расчетных формул.

Недостатком известного устройства для определения изменений рефракции является необходимость выполнения специальных расчетов для получения количественной характеристики рефракции. Кроме того, точность определения величины рефракции снижается вследствие нелинейного характера ее зависимости от основного метеорологического параметра - вертикального градиента температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерений,

Для достижения цели в устройстве оптический клин ахроматизирован и укреплен неподвижно в пределах светового отверстия объектива, свободного от узла смешения, а определяемая величина удовлетворяет соотношению

Д -39,64-Р-02-Т ,м

-2

г

где Р - атмосферное давление, мбар;

Т - температура воздуха, К;

D - расстояние до визирной цели, м; а угол отклонения луча оптическим клином, градусы;

т - вертикальный градиент температуры воздуха, К/м.

Поправка за рефракцию при геометрическом нивелировании может быть вычисле- на по формуле, предложенной X. Страубом:

5

-,Ј

293

В

273 +2 t 760

Хг . м {; ..у/- -.(1)

Q где В-атмосферное давление, мм рт.ст.;

t - температура воздуха, °С.

Поскольку основным параметром внешней среды, определяющим влияние рефракции, является вертикальный градиент температуры воздуха, то для нахождения его средней величины вдоль наблюдаемой линии с помощью известного устройства (см.прототип) предложена формула

т 3,68 -б2 -Т2.- Р

,-1

-1

D

-1

,-з

10

К/м . - (2) где о - отсчет по шкале микрометра, деления барабана; ;V А - коэффициент.

Величина коэффициента А определяет- ся из выражения

A f(6)

In 6 при 1 «5 50 ((),

(3)

где 50 20 дел. бараб.; ,156.

Таким образом, для получения поправки за рефракцию при геометрическом нивелировании известным устройством необходимо использовать выражения (1), (2)

и (3). что при полевых вычислениях несколько обременительно;

Горизонтальный луч, отклоненный оптическим клином (фиг.5) на угол а в однородной среде с постоянным коэффициентом

преломления пересекал бы рейку, отстоящую на расстоянии от нивелира в точке М. При наличии в среде постоянного верти кального температурного градиента г луч, искривляясь, попадает в точку N, смещен

ную относительно точки М, на величину Л1. Полагаем, что визирный луч распространяется в среде с показателем преломления п и является частью дуги S окружности радиуса R с центром в точке О. Величина п

определяется из выражения (см. Распространение лазерного пучка в атмосфере./Под ред. Д.Стробена. М.: Мир. 1981)

.6(1 +7,52 ) хР -Т1,

V - где А-длина волны излучения, мкм.

Радиус кривизны R луча связан с гради ентом температуры соотношением (см. Учет атмосферных влияний на астрономо-геоде- зические измерения,/А.Л.Островский.

Б.Д.Джуман, Ф.Д.Заблоцкий, Н.И.Кравцов. М.: Недра, 1990, с.45)

R (dn/dz)1. .(5) где z - вертикальная координата.

Или, заменяя в выражении (5) dn/dz чеJ d n рез --г.

d t

получим

Из геометрических соотношений на г.5 получим.

Л1 Л; cos«; BN CM D/cosa, Тогда

(R - А )2 + (BN)2 R2 (R - Д COS a)2 +

°2 (KI

(6)

+

cos2 a

R2.

О О

Пренебрегая слагаемым Д cos a ввиду его малости, получим

D2. .

Л

2 R cos3a

(7)

Подставляя в выражение (7) формулу (6),

п рлучим

|;ДЮ2- г(2со52аГ1. dt

Заменив в этом выражении производную d n

dt

ее значением, найденным дифференцированием выражения (4), находим

А -Р2 77.6 (1 + 7.52 103 Я 2) Р Т

от 2TZ cos0 а

(8)

Принимая для визуальных приборов Я 0,589 мкм, выражение (8) преобразуем внимательно к виду

,64 D , м

Р г Т 2 ax (9)

Численное значение величины, рассчитываемой по формуле (9), практически равно поправке за рефракцию при геометрическом нивелировании, определяемой из выражения (1).

Для оценки точности определения рефракции предлагаемым устройством на ос- новании полученного выражения (9) .преобразуем последнее к виду

; а-с-т2 cos3g- ю-6 (Ш

{, ----------------------------------------- tJJ yj

39,64 D2; P

где С - цена деления барабана микрометра. Тогда погрешность определения величины градиента температуры воздуха г предлагаемым устройством в зависимости от погрешности отсчета 6 равна

mr c-T2-cos -io-6.md|

39,64 D 2 Р где - погрешность отсчета.

Погрешность определения величины градиента температуры воздуха г известным устройством в зависимости от погрешности отсчета д на основании выражения (2). может быть определена как

mr

7,36 -д Т:

(12)

Р А D 10 Поскольку для нивелира НА-1 при исIQ пользовании барабана микрометра, имеющего С 0.005 мм и ахроматизированного клина с отклоняющим углом (, погрешность тсЗ 1,8 дел. барабана, то при метеоусловиях ,1 мбар, К и г 0,98

15 К/м получим для предлагаемого устройства

при д 135 дел. бар и D 40,958 м по

формуле (11) mr 0,012 К/м, для известного

устройства при д 19 дел. бар и том же

. значении D по формуле (12) ,182 К/м.

20 Таким образом, устройство позволяет на порядок повысить точность определения рефракции.

На фиг.1 изображена принципиальная схема заявляемого устройства, вид сбоку;

25 на фиг.2 - вид сверху; на фиг.З - рейка, используемая для наблюдений; на фиг.4 - вид штрихов рейки при Vx Совмещений; на фиг.5 - схема, поясняющая вывод рабочей формулы.

30 Устройство для определения изменений рефракции состоит из телескопической системы 1, оптического клина 2, плоскопа- ралелльной пластинки 3 микрометра, барабана 4 микрометра и рейки 5. Рейка

35 содержит V-образные штрихи А и прямые штрихи В, изображение которых совмещается в поле зрения телескопической системы методом биссектирования. Оптический клин 2 ахроматизирован и укреплен относй40 тельно объектива телескопической системы 1 неподвижно.0

Оптический клин 2 и плоскопараллельт ная пластинка 3 микрометра устанавлива-. ются перед объективом зрительной трубы

45 нивелира и наклоном оптического клина 3 совмещают изображения штрихов А и В, в этот момент снимается отсчет по барабану 4 микрометра.

Устройство работает следующим обра50 зом.

Предварительно исследуют устройство в момент изометрии, т.е. определяют отсчет

: (51 по барабану 4 микрометра, соответствующий г 0, при заданном расстояния Н до рейки 5. Устанавливая затем нивелир на расстоянии D в горной выработке, совмещают изображения штрихов в поле зрения трубы нивелира и снимают отсчет.по барабану микрометра. Величина Д С(5-б ) соотеетствует поправке за рефракцию при геометрическом нивелировании, для дневной стратификации приземного слоя воздуха поправка имеет знак минус.

Выражение (9) в его преобразованном виде (10) может быть использовано, например, для нахождения основного метеопараметра градиента температуры воздуха в горных выработках. Причем, как было пока

зано выше, точность таких измерений возрастает на порядок.

Штрихи А и В (см. фиг.З) могут быть нанесены в виде дополнительной шкалы на рейках при нивелировании, а микрометр с плоскопараллельной пластинкой 3 при за: шторенном оптическом клине 2 устройства может быть использован для взятия отсчетов по основной шкале рейки методом совмещения при нивелировании.

Использование: для определения изменений атмосферной рефракции в условиях торных выработок. Сущность изобретения: устройство содержит телескопическую систему 1, оптический клин 2, микрометр 4, рейку 5, содержащую V-образные и прямые штрихи. 5 ил

Формула и зоб ре тения Устройство для определения изменений рефракции, содержащее последовательно расположенные телескопическую систему, узел смещения визирного луча с микрометром, оптический клин и узел обработки результатов измерений, от ли ч а ю- щ е ее я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено узлом измерения вспомогательных параметров, оптический клин выполнен ахроматизированным и жестко соединён с телескопической системой, а узел обработки результатов измерений выФиг.З

полнен с возможностью нахождения значения функции

,64 ,м,

Р D2

a x

где Д- величина изменения рефракции,

P,D, r - вспомогательные параметры: соответственно атмосферное давление, расстояние до визирной цели, вертикальный градиент температуры;

а - угол отклонения визирного луча оп- .тическим клином.

Фиг. 5