CC BY
45
УДК 528. 48
АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Виктор Александрович Скрипников
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (382)343-29-55, e-mail: v.a.skripnikov@ssga.ru
Маргарита Александровна Скрипникова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (382)343-29-55, e-mail: m.a.skripnikova@ssga.ru
Дарья Александровна Бирюкова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (999)464-14-19, e-mail: dasha13_97@mail.ru
Вадим Валерьевич Танюхин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (983)130-86-50, e-mail: tbb7@mail.ru
Приведены результаты экспериментальных измерений выполненных в лабораторных условиях и даны рекомендации по совершенствованию методик измерений геодезическими приборами при определении геометрических параметров технологического оборудования.
Ключевые слова: геометрические параметры оборудования, геометрическое нивелирование, гидростатическое нивелирование, тригонометрическое нивелирование, электронный тахеометр.
ACCURACY DETERMINATION ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT GEOMETRIC PARAMETERS
Viktor A. Skripnikov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Associate Professor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (382)343-29-55, e-mail: v.a.skripnikov@ssga.ru
Margarita A. Skripnikova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Associate Professor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (382)343-29-55, e-mail: m.a.skripnikova@ssga.ru
Dar'ja A. Birjukova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Student, phone: (999)464-14-19, e-mail: dasha13_97@mail.ru
Vadim V. Tanjuhin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Student, phone: (983)130-86-50, e-mail: tbb7@mail.ru
It provides the results of experimental measurements performed in laboratory and gives recommendations for geodetic measuring methods improvement for the process of determining geometric parameters of technological equipment.
Key words: geometric parameters of equipment, geometric levelling, hydrostatic levelling, trigonometric levelling, electronic total station.
В настоящее время эксплуатируется много промышленного оборудования, которое требует периодического контроля его пространственного положения и контроля отдельных его частей. В производственной практике для выполнения мониторинга применяются различные методы определения высотного, планового и трёхмерного положения оборудования. Выбор метода измерений определяется, в основном, технологическим допуском на изменение параметра, особенностями конструкции оборудования, условиями измерений [1].
Мониторинг прецизионного оборудования выполняется как средствами промышленного контроля, так и с помощью геодезических приборов. Для выполнения измерений используются как оптические приборы, так и современные автоматизированные оптико-электронные приборы. Например, при определении высотного положения используются высокоточное геометрическое, гидростатическое и тригонометрическое нивелирование.
Сравнивания технические характеристики отсчётных систем высокоточных современных приборов для выполнения геометрического, гидростатического и тригонометрического нивелирования, следует отметить, что при диапазоне измерения превышений в несколько миллиметров и на расстояниях до 1015 метров, они могут обеспечивать практически равную точность измерений. При наличии влияния неблагоприятных внешних факторов точность измерения превышений может значительно понижаться.
Наиболее значимыми факторами влияния на геометрическое и тригонометрическое нивелирование является вертикальная рефракция и турбулентность воздуха [2, 3]. Для гидростатического нивелирования на первый план выходит влияние температуры на точность измерений. Для всех способов неприемлемым является вибрация.
Рассмотрим инструментальные погрешности способов нивелирования. Для геометрического нивелирования одной из основных погрешностей является погрешность нанесения штрихов на шкалах реек. Для тригонометрического нивелирования большое влияние на точность измерения углов имеют погрешности нанесения штрихов на шкале вертикального круга. Следует отметить, что применение современных автоматизированных электронных тахеометров позволяет выполнять тригонометрическое нивелирование с высокой точностью [4, 5].
В датчиках гидростатического нивелира также необходимо учитывать погрешности шкал микрометра. Для уменьшения влияния погрешностей шкал рекомендуется размещать марки для нивелирования примерно на одном уровне, что позволит использовать для отсчитывания на разных марках один и тот же штрих рейки. Для нивелирования горизонтальных направляющих станков этот способ достаточно эффективен. При невозможности установить марки на од-
ном уровне можно рекомендовать установку универсальных марок, пригодных для выполнения измерений всеми способами. Применение для измерений этого типа марок (рис. 1) позволит использовать тот способ нивелирования, который обеспечит наиболее точное измерение каждого превышения, при существующих на момент измерений факторах влияния.
Рис. 1. Стенная осадочная марка закрытого типа:
1 - головка марки; 2- хвостовина анкера; 3 - шаровой болт;
4 - предохранительная крышка; 5 - ключ для снятия крышки
При применении цифровых нивелиров следует учитывать некоторые их особенности, обусловленные системой взятия отсчетов. В частности, необходимостью обеспечения видимости в поле зрения прибора отрезка рейки, симметрично расположенного относительно средней горизонтальной нити, равномерного освещения шкалы рейки. Отсутствие метрической шкалы с подписанными делениями и необходимость работы с достаточно большим отрезком штрих-кодовой рейки не позволяет повысить точность измерений за счёт взятия отсчётов по одноимённому штриху. Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что такой метод отсчитывания уменьшает влияние вертикальной рефракции и позволяет уменьшить изменение положения визирной оси при изменении температуры прибора [6, 7, 8].
В настоящее время пространственное положение технологического оборудования определяется с помощью высокоточных электронных тахеометров и наземных сканеров [9, 10]. Эти типы приборов имеют существенные различия в конструкции и в системах отсчитывания. Поэтому необходимы исследования методик измерений для определённых типов приборов в лабораторных условиях и исследование точности при моделировании влияния внешних условий, поскольку при проведении производственных работ точность измерений может быть значительно ниже паспортных значений прибора из-за условий измерений [11, 12].
Для сравнения точности способов нивелирования по универсальным маркам в лабораторных условиях было выполнено гидростатическое, тригонометрическое и геометрическое нивелирование. Схема нивелирного хода по осадочным маркам с измеренными превышениями и полученными невязками при-
4
ведена на рис. 2. Методика геометрического нивелирования предусматривала применение одной подвесной рейки. Схема измерений была несимметричной. Измерения выполнялись высокоточным нивелиром Н-05 из «средины» прямо и обратно при двух горизонтах. Расхождения в одноимённых превышениях не допускались более 0,2 мм. Было выполнено три цикла измерений. Результаты измерений, приведенные на рис. 2, даны в мм.
1 +11,24 -6,75 19,27 J r -14,55 J9
J L wm
fh = -0,02 fh = -0,09 fh = 0,03 fh = 0,32
fflon =0,40 (доп = 0,40 fflon = 0,40 fAon = 0,40
-3.96 -2.92 +2.71 -10.43
1 1 ir
2 -4,38 1,04 Q* .6,05 8" -3,59
Рис. 2. Схема нивелирного хода по осадочным маркам с измеренными превышениями и полученными невязками для геометрического нивелирования
Тригонометрическое нивелирование проводилось с помощью высокоточного электронного тахеометра Leica TSRP 1201+. Паспортная точность измерения углов тахеометра - 1", расстояний - 1 мм. Измерения тахеометром выполнялись по одной и той же подвесной рейке одновременно с выполнением геометрического нивелирования. Превышения вычислялись с точностью до 0,01 мм. Схема нивелирного хода по осадочным маркам с измеренными превышениями и полученными невязками, приведена на рис. 3. Результаты измерений, приведенные на рис. 3, даны в мм.
1 +H.2S J i -6,43 J5 19,20 J 7 -14,80 J) 1 ^
■ ^
m - о:об fh = 0,17 m = -0,31 fh = -0,20
Гдоп= 0,40 Тцоп = 0,40 ГДОП = 0,40 fflon = 0,40
-4,03 -2,72 +-2,88 -10,55
Г.. 1 L.
2 -4,47 i,oo g -6,os -3,30
Рис. 3. Схема нивелирного хода по осадочным маркам с измеренными превышениями и полученными невязками для тригонометрического нивелирования
Нивелирование выполнялось «из середины», с наведением на один и тот же штрих рейки, в следующем порядке [13, 14]:
— наведение на рейку при круге лево, установленную на заднюю марку, взятие отсчёта по штриху на рейке при угле наклона близком к 0°;
— наведение на переднюю марку и взятие отсчёта по штриху на рейке;
— наведение на рейку на передней марке при круге право и взятие отсчёта по штриху на рейке;
— наведение на рейку на задней марке при круге право и взятие отсчёта по штриху на рейке.
Гидростатическое нивелирование по маркам выполнялось нивелиром Мейссера. Было выполнено три цикла измерений. Расхождения в одноимённых превышениях также не допускались более 0,2 мм. Схема нивелирного хода по осадочным маркам с измеренными превышениями и полученными невязками, приведена на рис. 4. Результаты измерений, приведенные на рис. 4, даны в мм.
1 +11,37 3 -6,48 5 19.14 7 -14,57 9
г---!--1---
J L -;- '-—
fh = 0.03 fh =0,03 fh = -0,06 fh = 0,03
Гдоп = 0,40 fflon =0,40 Гдоп = 0,40 fflon = 0.40
-4,03 -2,93 +2,60 -10,47
1
2 -4:38 4" 0,98 g -6,12 £Г -3,55
Рис. 4. Схема нивелирного хода по осадочным маркам с измеренными превышениями и полученными невязками для гидростатического нивелирования
Для получения отметок марок и оценки точности было выполнено уравнивание в программе CREDO DAT 4.0. Оценка точности измеренных превышений выполнялась по невязкам в полигонах и по поправкам из уравнивания. Результаты вычисления средней квадратической погрешности (СКП) измеренных превышений для методов нивелирования приведены в таблице.
Результаты оценки точности измеренных превышений
Вид СКП Геометрическое нивелирование (мм) Тригонометрическое нивелирование (мм) Гидростатическое нивелирование (мм)
СКП по невязкам 0,09 0,10 0,02
СКП по поправкам 0,10 0,11 0,03
Для сравнения СКП превышения из многократных измерений для тригонометрического и геометрического было выполнено по десять приёмов измерений одного превышения. Максимальное расхождение значений превышений в
приёмах для обоих методов составило 0,02 мм, сходимость значений превышений между методами также не превысила 0,02 мм. СКП для обоих методов не превысила 0,01 мм.
Анализ полученных данных показывает, что все три метода, на данной сети марок, по точности соответствуют точности нивелирования I класса.
При выверке оборудования имеющего геометрическую форму цилиндра, например, статора гидрогенератора, может использоваться лазерный сканер или электронный тахеометр [15, 16]. Измерения геометрии статора могут выполняться как при постановке прибора внутри, так и снаружи оболочки статора.
В лабораторных условиях были выполнены измерения по 10 пунктам долговременного закрепления, расположенных равномерно по окружности радиусом примерно 2 метра. Измерения выполнялись при расположении тахеометра внутри и вне кольца пунктов. Пункты имеют устройство для принудительного центрирования, общий вид которого приведён на рис. 5.
Рис. 5. Схема установки призмы и нивелирной рейки
Для измерений использовались высокоточные электронные тахеометры Leica TSRP 1201+ и Leica ТМ30. При выполнении работ применялась мини-призма GMP104. Точность центрирования призмы составляла не более 0,05 мм.
Для контроля определения отметок, определённых электронным тахеометром использовался высокоточный цифровой нивелир DiNi03 в комплекте с метровой рейкой. Измерения выполнялись по программе нивелирования I класса. Схема установки на пункте призмы и нивелирной рейки показана на рис. 5. На первом этапе измерений электронный Leica TSRP 1201+ и нивелир устанавливались поочерёдно в центре окружности. Измерения выполнялись на каждый пункт дважды. Расхождения между приёмами в координатах и по отметке на пунктах, полученными тахеометром не превышали 0,1 мм, по отметкам из нивелирования не более 0,02 мм. Сравнение превышений между пунктами, полу-
ченных тахеометром и нивелиром, показало, что максимальные расхождения достигают 0,5 мм. Затем в центр устанавливался тахеометр Leica ТМ30 и выполнялось повторное определение координат и отметок пунктов. Сравнение полученных результатов измерения превышений с результатами, полученными из геометрического нивелирования, показало, что величины расхождений не превышают 0,1 мм.
На втором этапе измерений тахеометр устанавливался на расстоянии 6 метров от кольца пунктов. Повторные измерения тахеометром и нивелиром выполнялись одновременно по установленной на пункте рейке. Расхождение значений измеренных превышений из двух методов не превысило 0,1 мм.
Анализ результатов измерения превышений показал, что исследуемый тахеометр Leica TSRP 1201+ на расстояниях, близких к минимально-измеряемому, в автоматическом режиме наведения на отражатель, не обеспечивает паспортную точность измерения превышений. При увеличении расстояний до 6 метров, расхождение значений измеренных превышений, по сравнению с результатами, полученными из геометрического нивелирования, уменьшается с 0,5 мм до 0,1 мм.
Повторные измерения координат обоими тахеометрами показами, что вычисленные между пунктами расстояния различаются не более чем на 0,3 мм. Применение при повторных измерениях высокоточного центрирующего устройства, автоматического способа наведения на визирную цель и одной призмы, устанавливаемой на одной высоте, может повысить точность измерений при мониторинге геометрических параметров оборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Могильный С.Г., Шоломицкий А. А. Модели технологий автоматизированных высокоточных геодезических измерений при монтаже и мониторинге промышленных установок // «Геодезия, картография, геоинформатика и кадастры. От идеи до внедрения.»: сб. материалов междунар. научн.-практ. конф. (Санкт-Петербург, 11 -13 ноября 2015г.). - СПб. : Политехника, 2015 - С.55-57.
2. Никонов А. В. Исследование влияния вертикальной рефракции на результаты тригонометрического нивелирования короткими лучами способом из середины // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - № 1. - С. 28-34.
3. Никонов А. В. К вопросу о влиянии вертикальной рефракции на результаты тригонометрического нивелирования короткими лучами // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 1 (25). -С. 12-26.
4. Никонов А. В. Особенности применения современных геодезических приборов при наблюдении за осадками и деформациями зданий и сооружений объектов энергетики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 4 (24). - С. 12-18.
5. Никонов А. В. Исследование точности измерения расстояний электронными тахеометрами в безотражательном режиме // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 1 (29). -С. 43-53.
6. Никонов А. В.,Чешева И. Н., Лифашина Г. В. Влияние перепадов температуры окружающей среды на главное условие цифрового нивелира при наблюдениях за осадками фундаментов зданий и сооружений // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 2 (34). - С. 24-33.
7. Никонов А. В., Рябова Н. М., Соболева Е. Л. Об ошибке измерения превышения на станции цифровым нивелиром в полевых условиях // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Ме-
ждунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. - C. 37-41.
8. Скрипников В. А., Скрипникова М. А. Опыт применения цифрового нивелира DiNi03 при выполнении повторного высокоточного гидротехнического нивелирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 3. - С. 189-192.
9. Скрипникова М. А. Возможности применения автоматизированных высокоточных электронных тахеометров при измерении деформаций инженерных сооружений // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 1, ч. 1. - С. 131-134.
10. Исследования зависимости погрешностей геодезических измерений в продольном и поперченном направлениях относительно визирного луча Api Tracker3 от расстояния / Д. Б. Буренков, П. П. Мурзинцев, А. В. Полянский, Ю. А. Пупков, Л. Е. Сердаков // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 3-6.
11. Скрипников В. А., Скрипникова М. А. Прикладная геодезия. Геодезические работы при определении осадок инженерных сооружений автоматизированными системами и приборами : учеб. пособие. - Новосибирск. : СГУГиТ, 2017. - С. 106.
12. Скрипников В. А., Скрипникова М. А. Исследование точности определения отметок марок при определении осадок фундаментов технологического оборудования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 87-91.
13. Уставич Г. А., Рахымбердина М. Е., Никонов А. В., Бабасов С. А. Разработка и совершенствование технологии инженерно-геодезического нивелирования тригонометрическим способом // Геодезия и картография. - 2013. - №6. - С. 17-22.
14. Ustavich G. А., Rakhymberdina M. Y., Toguzova M. M. Investigation and improvement of metrological calibration tests of the "digital level-barcode rod" system. // ARPN Journal of Engineering and Applied Science ISSN 1819-6608. April 2016. - Т.11 - № 8.
15. Gorokhova Ekaterina I. Geomonitoring of Engineering Structures and Forecasting Their Deformations Using Laser Scanning Data Desislava Staykova, Nico Zill // International Workshop «Integration of Point-and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects. Proceedings 23th-24th march 2015, Studgart, Germany. - С.91-96
16. Mogilny S.G., Sholomytskiy A.A. , Seredovich V.A. , Seredovich A.V.,. Ivanov A.V. The Analysis of Methods for Determining the Geometric Parameters of Rotating Machines// International Workshop «Integration of Point-and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects. Proceedings 23th-24th march 2015, Studgart, Germany. - С.119-130
© В. А. Скрипников, М. А. Скрипникова, Д. А. Бирюкова, В. В. Танюхин, 2018
