ДонНТУ   Портал магистров

Михайлов Алексей Михайлович

Институт горного дела и геологии

Кафедра геоинформатики и геодезии

Специальность «Инженерная геодезия»

Разработка методов и средств метрологической поверки цифровых нивелиров

Научный руководитель: к.т.н., Серых Александер Павлович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Метод поверки системы "нивелир - рейка"
• 3.1 Метод исследования системы "нивелир - рейка" при помощи растрового измерительного преобразователя
• 3.2 Метод исследования системы "нивелир - рейка" на компараторе
• 3.3 Метод исследования системы "нивелир - рейка" с использованием концевых мер длины
• 4. Подход к унификации синтеза автоматов Мура в базисе FPGA
• Выводы
• Список источников

Введение

Развитие и совершенствование оптических и оптико-электронных приборов для измерения превышений, возрастающие требования к их точности и надежности, а также автоматизация процесса измерений, приводит к необходимости создания новых методов и средств испытаний с целью поверки цифровых нивелиров.

Так почему же именно поверка, а не калибровка?

Прежде чем разъяснить отличие поверки от калибровки, ссылаясь на Закон РФ "Об обеспечении единства измерений", [1] целесообразно дать разъяснение на определение, что такое "средство измерений"?

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики; калибровка средства измерений - совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона, в целях определения действительных значений метрологических характеристик средства измерений и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому надзору; поверка средства измерений - совокупность операций, выполняемых государственной метрологической службой или другими аккредитованными юридическими лицами в целях определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим и метрологическим требованиям.

На первый взгляд, калибровка аналогична поверке. Для калибровки измерительных приборов также используются методические программы и эталонные образцы, посредством которых выполняется целый ряд операций по определению действительных значений метрологических характеристик средств измерений, другими словами, устанавливается, точно или не точно показывает прибор, в том числе значение его погрешности при измерении. Калибровка проводится на приборах, на которые государственное регулирование в области обеспечения единства измерений не распространяется. К примеру, личный измерительный прибор пользователь может не поверять и не калибровать (в то же время это в любом случае делает завод-изготовитель). Однако, если этот прибор используется на производстве во время технологического процесса, то необходима его обязательная поверка. Согласно ПРИКАЗ Госстандарта РФ от 24.04.95 N 54 "О ВВЕДЕНИИ РОССИЙСКОЙ СИСТЕМЫ КАЛИБРОВКИ" [2]. Калибровка средств измерений. Организация и порядок проведения", калибровке подвергаются средства измерений, не предназначенные для применения при измерениях с сферы государственного метрологического контроля. Калибровка средств измерений, выполняемая для собственных подразделений, проводится калибровочными лабораториями юридических лиц – изготовителей, пользователей средств измерений, имеющими квалифицированных специалистов по соответствующим видам измерений.

Калибровочные лаборатории, в добровольном порядке аккредитованные в области оценки соответствия на проведение калибровки средств измерений в соответствии с ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 "Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий" [3], могут осуществлять калибровку на договорной основе для сторонних организаций. Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средства измерений или сертификатом о калибровке, в котором в обязательном порядке указываются действительные значения метрологических характеристик, а также записью в эксплуатационных документах. А вот результатом поверки является сертификат о поверке и/или клеймо, нанесенное на прибор ПРИКАЗом МИНПРОМТОРГА РОССИИ от 2 июля 2015 г. N 1815 [4]. Из этого следует, что без наличия свидетельства об утверждении типа (метрологического сертификата) выполнение поверки невозможно, а вот к калибровке это не относится.

(Анимация: 4 кадров, 9 циклов, 56кб)

Поверка — это проверка соответствия определенным стандартам. Калибровка — это приведение к определенным стандартам.

Поверка — обязательная процедура. Калибровка — процедура добровольная и необязательная.

Калибровка частично заменила ранее существовавшую метрологическую аттестацию и ведомственную поверку измерительных приборов.

Технические процедуры калибровки и поверки абсолютно тождественны и сводятся к определению погрешности средства измерения с использованием эталона, поэтому за рубежом вместо термина "verification" (поверка) чаще используется термин "legal calibration".

Разработка современных эталонных средств измерений (СИ) направлена на обеспечение единства измерений, сокращение времени испытаний, повышение их точности и надежности результатов, оперативную обработку полученных данных.

Методология поверок высокоточных приборов для измерения превышений тахеометрами и нивелирами регламентируется рядом специально разработанных стандартов [5, 6, 7 и 8], устанавливающих основные метрологические характеристики (МХ). Эта документация рассчитана в основном для оптических приборов, поверочные схемы оптико-электронных устройств детально не разработаны.

В этой связи актуальным является разработка новых методов и средств поверки современных оптико-электронных и цифровых геодезических приборов.

1. Актуальность темы

В настоящее время в области геодезических измерений происходит переход от оптических методов измерений к оптико-электронным. При этом развитие и совершенствование оптико-электронных приборов для измерения превышений, повышение их точности, надежности и степени автоматизации приводят к необходимости создания новых методов и средств контроля их метрологических характеристик. Это, в свою очередь, требует разработки новых технологий и средств их метрологической поверки. Этой актуальной задаче и посвящена данная научная работа.

В общем, разработка современных эталонных средств в метрологии направлена на обеспечение единства измерений, сокращение времени испытаний, повышение их точности и надежности, оперативную обработку полученных данных.

Методология поверок цифровых нивелиров регламентируется рядом специально разработанных стандартов, устанавливающих основные метрологические характеристики. Эта документация рассчитана в основном для оптических нивелиров, а поверочные схемы цифровых нивелиров недостаточно разработаны.

Следовательно, задачи создания универсальной методики для метрологических исследований современных цифровых нивелиров , которая будет являться на данный момент актуальной.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данной работы является анализ существующих методов и средств исследования, поверки цифровых нивелиров, а также разработать методы для определения основных метрологических характеристик цифровых нивелиров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ существующих методик метрологической аттестации системы "цифровой нивелир – штрих-кодовая рейка";
• разработать методику технологической метрологической поверки системы "цифровой нивелир – штрих-кодовая рейка" в лабораторных и полевых условиях.

Объект исследования: цифровой нивелир.

Предмет исследования: методика метрологической аттестации системы "цифровой нивелир – штрих-кодовая рейка".

Методы исследований:Методика исследования включает в себя анализ литературных источников, выполнении теоретических и практических исследований и экспериментальной проверке достоверности этих результатов.

3.Метод поверки системы "нивелир - рейка"

Основной метрологической погрешностью нивелира является средняя квадратическая погрешность измерений превышений на 1 км нивелирного (двойного) хода. Пути её получения являются весьма трудоемкими, и получение чисто инструментальной погрешности нивелирования невозможно. Для решения этой задачи были разработаны и исследованы методы и средства поверки системы "нивелир-рейка". Будет представлено три метода поверки: исследование при помощи растрового измерительного преобразователя; исследование на компараторе; исследование с использованием концевых мер длины.

3.1 Метод исследования системы "нивелир - рейка" при помощи растрового измерительного преобразователя

Для получения инструментальных погрешностей системы "нивелир - рейка" разработан метод с использованием вертикального стенда. Методика исследования представлена на рис. 1.

В качестве эталонного средства, при поверке предложено использовать растровый измерительный преобразователь, погрешность измерения которого не превышает 3 мкм. Исследуемый нивелир устанавливается на подвижную каретку совместно с растровым преобразователем. Нивелиры могут быть, как цифровые, так и оптические. В соответствии с исследуемым нивелиром выбирается рейка со штрих-кодом или с оцифрованной шкалой. Рейка устанавливается на неподвижный столик и приводится в отвесное положение с помощью круглого накладного уровня и подъемных винтов столика. Расстояние до рейки выбирается соответственно тому, которое принято для нивелирования того класса, для которого предназначен испытуемый (поверяемый) прибор.

Методика проведения поверки заключается в измерении одинаковых значений с помощью растрового измерительного преобразователя и нивелира по рейке.

При проведении кповерки можно применять альтернативное эталонное средство - лазерный интерферометр (точность 1мкм+1ррш). Для этого отражатель интерферометра закрепляется совместно с нивелиром и измерительным преобразователем. На рис. 2 представлена схема проведения поверки системы "нивелир - рейка".

В момент проведения исследования отсчеты по нивелиру, интерферометру и датчику измерительного преобразователя берутся одновременно и затем сравниваются. Отражатель интерферометра и нивелир должны перемещаться совместно с растровым измерительным преобразователем вдоль меры (рис.5(а)). За эталонное превышение можно принять, как значение, измеренное растровым измерительным преобразователем, так и значение, измеренное интерферометром. Эталонное превышение сравнивается с превышением, измеренным нивелиром по рейке.

Необходимо отметить еще один момент: нивелир и рейка в данной методике могут быть поменяны местами, и уже рейка будет, перемещается вдоль растровой меры, а нивелир следует установить не подвижно рис. 2 (6).

Преимущества предложенного метода очевидны: более полно выявляются инструментальные погрешности системы "нивелир - рейка"; уменьшаются, и притом весьма резко, затраты на переходы с точки на точку наблюдателя и реечников.

Разработанный метод позволяет получить инструментальную погрешность системы "нивелир - рейка". Для разделения погрешностей отдельно нивелира и отдельно рейки, следует эталонировать нивелирную рейку (например, на компараторе). И затем учесть погрешность рейки.

3.2 Метод исследования системы "нивелир - рейка" на компараторе

Метод поверки системы "нивелир - рейка" основывается, как и в предыдущем пункте, на компарировании или сравнения. Для проведения поверки используется два эталонных средства измерения превышений. Это лазерный интерферометр и инварный жезл.

Главное отличие метода заключается в том что, перемещение рейки и эталонного жезла осуществляется в горизонтальном положении по направляющим рельсам на подвижной тележке. Основой данного метода является существенно усовершенствованный оптико-механический компаратор МИИГАиК рис. 3. На изолированных "малых" фундаментах с интервалом в 1м. закреплены рельсы, выставленные в горизонт и по азимуту. На рельсах установлена подвижная каретка. На "больших" фундаментах, расположенных за рельсовым путем, закреплена направляющая длиною 3,5м, на которой располагаются микроскопы, имеющие возможность перемещения по этой направляющей. Направляющая с микроскопами располагается над рельсовым путем.

На расстоянии 25м. по направлению рельсов, на бетонной основе устанавливается нивелир; с другой стороны - лазерный интерферометр и блок опорного канала, для измерения интерферометром на подвижной каретке закреплен уголковый отражатель. Для разворота изображения рейки на направляющей закреплено наклонное зеркало, которое имеет возможность юстировки. Для проведения измерений на каретку одновременно или по очереди устанавливаются инварный жезл и исследуемая рейка. Измерения проводятся при постоянной температуре и давлении. Если за эталонное средство принимается только инварный жезл, то температура измеряется с точностью порядка 0,1° С. При использовании интерферометра, как правило, параметры окружающей среды берутся с датчиков интерферометра. Перед проведением исследований компаратор тщательным образом юстируют.

Как и в предыдущем исследовании, разработанный метод позволяет выявить длиннопериодические и остаточные погрешности измерения превышений, но не позволяет в полной мере оценить короткопериодические погрешности. Это связанно с ограниченностью задания минимального превышения ценой деления рейки. Но если эталонные превышения задавать интерферометром, то выявление короткопериодической погрешности измерения превышения системы "нивелир - рейка" становится возможным (рис. 4).

Результаты исследования, как и в предыдущем методе, могут быть представлены как поверочныечные графики и таблицы. Метод позволяет выявить инструментальную погрешность системы "нивелир - рейка".

В методе существует возможность эталонирования реек, как при помощи инварного жезла, так и при помощи лазерного интерферометра. Этот метод позволяет исследовать оптические и цифровые нивелиры совместно с рейками и отдельно рейки с цифровыми шкалами и рейки со штрих-кодом.

3.3 Метод исследования системы "нивелир - рейка" с использованием концевых мер длины

Метод основан на сравнение эталонных превышений, задаваемых при помощи концевых мер длины, с измеренными превышениями нивелиром по рейке. Для изменения высоты точки в разработанном методе используются концевые меры длины II разряда (КМД), погрешность размера которых не превышает 0,4 мкм. [16]. Эталонные превышения задаются в диапазоне от 0мм. до 200мм., с шагом от 0,2мм. до 10мм, что позволяет выявить короткопериодические погрешности на отдельном участке рейки. Таким образом, существует возможность исследовать короткопериодическую погрешность системы "нивелир - рейка" на всей длине рейки.

Для выполнения исследования нивелир устанавливается на жесткое основание, на выбранном расстоянии устанавливается горизонтальный столик с отшлифованной поверхностью. На столик поочередно устанавливаются и притираются КМД различной высоты, на меры ставится нивелирная рейка с накладным уровнем. При установке различных КМД и рейки на них, снимается отсчет по нивелиру. Результатом поверки являются графики погрешности измерения высоты КМД.

Предлагаемый метод с использованием концевых мер длины в отличие от других методов, которые имеют предел изменения расстояния между нивелиром и рейкой (например, метод с использованием лазерного интерферометра < 40 м), является более функциональным, так как позволяет производить исследование на больших расстояниях между нивелиром и рейкой. А также метод позволяет проводить испытания, как в лаборатории, так и в полевых условиях.

Выводы

Основной акцент был сделан на анализ существующих методов и средств поверки цифровых нивелиров.

При анализе основных методов и средств метрологического исследования геодезических приборов рассмотрен ряд нормативно- технических документов (ГОСТы, инструкции и т.д.), регламентирующих проведение исследований и поверок приборов для измерения превышений.

По результатам проведенного анализа методов и средств поверки геодезических приборов для измерения превышений, таких как нивелир - рейка можно сделать следующие выводы. Существует две основных методики поверки системы нивелир рейка. Первая это поверка на высотном базисе с известными (эталонными) превышениями, и вторая это поверка на интерференционном компараторе. Так же следует отметить, что существуют методики для поверки нивелирных реек без привлечения нивелира.

Исследования современных геодезических приборов показали, что точность измерения цифровыми нивелирами определяется как погрешностями самого нивелира, так и качеством штрих-кодовых реек. Это означает, что код, нанесенный на рейку, должен как можно более точно совпадать со своей теоретической моделью. В отличие от обычных нивелирных реек, где за каждым штрихом шкалы закреплена определенная линейная мера, визуальное отсчитывание по штрих-кодовым рейкам невозможно.

Список источников

1. Закон РФ "Об обеспечении единства измерений".
2. ПРИКАЗ Госстандарта РФ от 24.04.95 N 54 "О ВВЕДЕНИИ РОССИЙСКОЙ СИСТЕМЫ КАЛИБРОВКИ".
3. ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 "Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий"
4. ПРИКАЗ МИНПРОМТОРГА РОССИИ от 2 июля 2015 г. N 1815
5. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов, М,: ЦНИИГАиК, 1999.
6. ГОСТ23543-79. Приборы геодезические. Основные технические требования.
7. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ 08-90, Москва 1991, ЦНИИГАиК.
8. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ. Москва 1999, ЦНИИГАиК.
9. Карсунская М.М. – Геодезические приборы - М.: Институт оценки природных ресурсов, 2002. - 186с. ISBN 5-89722-050-6
10. СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. – 2009. – № 2(56). – 115–120 УДК 528.08; 528.021.4
11. Спиридонов А.И. Основы геодезическое метрологии. - М.:Картгеоцентр - Геодезиздат, 2003. - 248с.:ил.
12. Генике А.Д., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. - М.: Картгеоцентр-Геоиздат, 1999.
13. Макаренко Н.Л. О переходе на автономные спутниковые методы определения координат // Геодезия и картография. - 1996. -JV25 -С.4 – 7
14. Машимов М.М. Всеобщий взгляд на геоспутниковую технологию //Геодезия и картография. - 1994. -^212 -С.6 - 11.
15. Heister H. Zur Uberprufung von Prazisions-Nivellierlatten mit digitalem Code. Sriftenreihe Studiengang Vermessungswesen, Universitat der Bundeswehr Munchen, Heft 53,45-53 S.
16. Научно-технический отчет по теме Стенд для контроля теодолитов. М. МИИГАиК, 1999.