ГЕОДЕЗИЯ-2005. С. И. Чекалин г е оде з и я москва 2005 ббк 26. 1 Удк геодезия Учебник
 Скачать 37.56 Mb.
|
|
§ 55. Приборы для поиска подземных коммуникаций К инженерным подземным коммуникациям относятся кабели электро- и телефонных линий трубопроводы для транспортировки воды, горючих жидкостей, газа воздуха и т.п.; резервуары и др. Поиск коммуникаций производится с поверхности земли, а затем искомую точку закрепляют и любыми из известных методов определяют ее плановые и высотные координаты (см. гл. Используют для поиска подземных коммуникаций следующие методы индуктивный низкочастотный метод, который основан на детектировании переменного магнитного поля, создаваемого вокруг коммуникации индуктивный высокочастотный метод, который основан на детектировании наведенного на коммуникацию магнитного поля способом электромагнитной индукции акустический метод, который основан на выявлении подземных пустот, образованных в трубопроводах и коллекторах. Большинство приборов сконструировано на использовании первого метода, индуктивного низкочастотного. В этом методе по отыскиваемой коммуникации, непосредственным подключением к ней, пропускают переменный ток низкой частоты (в пределах 1 Кгц). Этот ток в проводнике, которыми является коммуникация, образует переменное электромагнитное поле, регистрируемое на различных расстояниях от источника излучения приемным устройством. Схема поиска подземных коммуникаций приборами индукционного типа представлена на рис. 5.28. К коммуникации в смотровом колодце, либо на вскрытом ее месте, подключается генератор звуковой частоты. Вокруг трубопровода создается переменное электромагнитное поле, силовые линии которого имеют вид концентрических окружностей. В антенне, являющейся частью приемника-преобразователя, наводится ЭДС, и сигнал в виде звуковых колебаний поступает в наушники, либо на регистрирующий прибор. Максимальный сигнал характеризует ближайшее положение в плане исследуемого объекта. Рис. 5.28. Схема поиска подземных коммуникаций Существуют конструкции трассоискателей с двумя антеннами, направленными под углом о к вертикали, либо с одной антенной, имеющей возможность поворачиваться на угол о. Использование таких устройств позволяет определять и глубину заложения коммуникации. Если в траншее 143 находится несколько коммуникаций, ток каждой из них поочередно подключают генератор. Точность определения положения коммуникации в плане и по глубине при небольших мощностях сигнала генератора (30-35 Вт) примерно одинаковая и зависит от глубины заложения h и диаметра d трубопровода. (Так, прим мм = 0,12 м m s = m h = 0,5(0,1·300 см + +12 см 21 см. Дальность действия (расстояние от генератора до приемника) различна для разных типов трассоискателей: от 0,5 м до 10 км с фактическими точнос- тями определений от 10 до 30 см. Среди отечественных трассоискателей нашли применение ТКИ-1, ТКИ-2, ТПК-1, ВТР-IVМ, ВТР-V, Абрис, ИК, Сталкер-2. Из зарубежных приборов можно указать D-Test 100 фирмы Bosh, приборы серий Easylos FL 10 фирмы Seba KMT, серий RD 4000 фирмы Radiodetection и др. По техническим характеристикам все указанные приборы делятся на два класса. Приборы мощностью более 20 Вт и коэффициенте усиления не менее 10000 относятся к 1 классу, приборы мощностью до 20 Вт и коэффициентом усиления не менее 2000 относятся ко 2 классу. Точность поиска трасс подземных коммуникаций определяется классностью прибора, наличием в грунтах блуждающих токов, наличием отводок от определяемой коммуникации и количеством другого вида коммуникаций, проложенных вблизи определяемой, состоянием грунтов (их влажностным и температурным режимом, числом муфт на линии и числом стыков, которые уменьшают мощность распространяемого по коммуникации электромагнитного сигнала, а также опытом наблюдателя. Генераторы низкой частоты подключают к коммуникации различными способами на два участка коммуникации, один из которых должен находиться на расстоянии не менее 20 мот генератора на коммуникацию и землю через специальный заземляющий штырь индуктивным присоединением с передающей шиной, обхватывающей трубопровод индуктивным присоединением с передающей рамой ( в тех случаях, когда прибор работает в активном режиме). Особое значение имеет разработка новых точных приборов для поиска и обследования подземных коммуникаций в настоящее время. Это связано с изменением технологии строительства трубопроводов и других систем. Если раньше строительство трубопроводов велось открытым способом, когда положение коммуникаций могло быть первоначально зафиксировано непосредственными измерениями, то при строительстве коммуникаций закрытым способом такая возможность не может быть реализована. В связи с этим контроль строительства и исполнительная съемка должны проводиться только специальными трассоискателями, обеспечивающими требуемую инструкцией точность определения объектов съемки в плановом и высотном положении Глава 6 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Вопросы, изложенные в настоящей главе, по мнению авторов, являются весьма важными, поэтому данный раздел выделен в отдельную главу. Здесь будут рассмотрены лишь некоторые особенности конструкции геодезических оптико-электронных приборов, области их применения, указаны технические характеристики нескольких типов приборов. Более подробную информацию по указанным вопросам сейчас легко найти в Internet. § 56. Общие замечания В настоящее время геодезическая и маркшейдерская службы в строительстве промышленных зданий, инженерных сооружений, проектировании и проведении горных выработок, при выполнении топографических съемок и решении специальных инженерных задач со своими традиционными методами и инструментами не всегда соотвествуют уровню механизации строительства (при проектировании и геодезическом и маркшейдерском контроле. Здесь имеется ввиду, что к традиционным геодезическим инструментами методам пока мы относим оптические приборы различных конструкций, а также специфическую камеральную обработку полевых результатов измерений и графическую подготовку отчетной документации. К сожалению, наша отечественная промышленность (приборостроение) не обеспечивает в полной мере наши потребности в геодезических приборах нового поколения. Нельзя сказать, что в этом направлении не предпринималось никаких шагов. Выпускались и выпускаются оптико-электронные приборы (теодолиты, тахео-метры, светодальномеры, нивелиры, лазерные приборы и др. Многие из них нашли широкое применение в геодезическом и маркшейдерском производстве. Речь идет о массовом применении оптико-электронных приборов нового поколения, значительно облегчающих полевые измерения и практически исключающих камеральные работы, в том числе и графические. Имеются приборы, которые позволяют после грубой первичной установки полностью автоматически измерять направления (углы) и расстояния. Современный рынок геодезических приборов представлен в большинстве своем зарубежными образцами различного назначения и точности. При их сравнительно высокой стоимости не все геодезические и маркшейдерские службы на предприятиях имеют возможность приобрести такое оборудование. Совершенствование геодезических приборов нового поколения идет такими высокими темпами, что через 10-15 лета то и менее, на смену современным оптико-электронным приборам придут новые приборы, с большими возможностями автоматизации полевых и камеральных работ. Так, как это 145 случилось за короткий срок в области электронно-вычислительной техники, телекоммуникаций и мн.др. Все эти превращения произошли на глазах нашего, старшего поколения. Не будет ошибкой сказать, что в вашем представлении, студентов и молодых специалистов, телевизоры были всегда, калькуляторы – тоже, ив космос человек полетел исторически давно, а не 40- 45 лет назад. Это естественно для человека. Ио приборах нового поколения, о части из которых будет рассказано ниже, через 10-15 лет будут говорить как о давнопрошедшем времени 57. Краткие сведения о лазерных источниках излучения Лазер в переводе с английского означает усиление света за счет вынужденного излучения». В основу действия лазера положено усиление электромагнитных колебаний при помощи вынужденного излучения атомов и молекул какого-либо вещества. Вследствие волновых свойств электронов, их движение вокруг ядра происходит не по орбитам, а в некоторой области, в которой наиболее вероятным местом является орбита определенного радиуса. Движущийся вокруг ядра электрон обладает определенной энергией (квантовым числом, величина которой определяется дискретными значениями. Обозначим условно энергетическое состояние электронов, находящихся на разных орбитах (рис. 6.1). Е – потенциальная энергия электрона, находящегося на орбите i. Чем дальше орбита от ядра, тем больше потенциальная энергия электрона, населяющего эту орбиту. В основном, нормальном состоянии электроны распределяются по орбитам так, чтобы атом обладал наименьшей из всех возможных энергией Е о . Это значит, что ближние к ядру орбиты заполняются электронами полностью, до предела, а незаполненными могут быть только дальние орбиты. При воздействии на атом электромагнит- Рис. 6.1. Энергетические уровни атома ного излучения (нагревании, облучении светом, бомбардировании потоком элементарных частиц и т.п.) атом возбуждается, его электроны переходят на более высокие орбиты, и энергетическое состояние может быть записано в виде Е о ' > Е о . Возбужденных состояний атома может быть несколько, и время пребывания атома в таком состоянии ограничено. Например, для водорода оно составляет около 10 -8 с. При переходе атома из состояния Ев состояние Е происходит выделение или поглощение энергии на частоте h E Е n m − = ν , (6.1) 146 где h – постоянная Планка. При Е › E n энергия выделяется, а в обратном случае – поглощается. Каждому переходу соответствует определенная спектральная линия с длиной волны ν λ с = , (где с – скорость света. Если процесс перехода атомов вещества в другое энергетическое состояние является самопроизвольным (хаотичным, то спектр излучения получается широкополосным (как излучение Солнца). В лазерах создается вынужденное (индуцированное) излучение под воздействием внешнего электромагнитного излучения. При этом атомы вещества излучают энергию согласованно, с одинаковой частотой (длиной волны. Такое излучение называют когерентным. Когерентное излучение характеризуется, кроме того, одинаковой фазой, поляризацией и направлен- ностью. Для того, чтобы получить вынужденное когерентное излучение необходимо выполнить следующие условия. Условие 1. Условие резонанса, которое подразумевает совпадение частоты волны, вызывающей индуцированное излучение, с одной из частот энергетического спектра активного (рабочего) вещества. Условие 2. Оно связано с переводом электронов с нижних заселенных уровней на более высокие разрешенные уровни. Для осуществления генерации излучения необходимо, чтобы верхний уровень был заселен больше, чем нижние. Это достигается за счет т.н. накачки, те. непрерывного подведения электромагнитной энергии извне. Для управления индуцированным излучением необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, что позволит дополнительно вынуждать к индуцированному излучению все больше и больше атомов. Эта задача решается с помощью оптических резонаторов (рис. 6.2), представляющих собой плоские или сферические зеркала. Рабочее вещество помещается между зеркалами. Одно из зеркал полупрозрачное, что позволяет части энергии выходить из системы, а другую часть – возвращать внутрь для возбуждения других атомов. В резонаторе при его настройке возникает стоячее световое поле, если в промежутке L укладывается целое число волн рабочей частоты Излучение лазеров отлича- Рис. 6.2. Оптические резонаторы ется от обычных источников света, например, лампы накаливания, высокой интенсив- ностью, монохроматич- ностью, направленностью и спектральной плотностью мощности. Степень моно- хроматичности определяется соотношением ОМ , (где полуширина полосы излучения с центром О λ Рабочие (активные) вещества могут быть газообразными и твердотельными. В газовых лазерах используют смеси гелий-неон (He-Ne) в соотношении. В твердотельных лазерах в качестве рабочего вещества используют искусственные кристаллы рубина, изумруда, германия. В полупроводниковых лазерах – арсенид галлия. Газовые He-Ne лазеры излучают на длине волны О 0,6328 мкм. Их КПД составляет от 0,1 до 0,01%, выходная мощность от 0,1 до 0,001 Вт. Срок службы – 10000 часов непрерывной работы. Рубиновый лазер излучает на длине волны О 0,6943 мкм. Формируются световые импульсы с длительностью с. На основе рубиновых лазеров создано много светодальномеров, точность которых составляет 5-10 мм при дальности действия 10 км. КПД полупроводниковых лазеров может быть весьма высоким, близким к 100%, нов современных конструкциях он пока достигает немногим более 50%. Выходная мощность полупроводниковых лазеров до 10 Вт при температуре рабочего вещества жидкого азота. При комнатной температуре мощность излучения сравнима с мощностью излучения газовых лазеров. Большое значение имеет расходимость светового пучка (угловая расходимость. Она зависит от качественных характеристик резонатора, отколи- чества колебаний в резонаторе. У газовых лазеров расходимость светового пучка достигает 5'-10', у твердотельных – до о – о. Расходимость определяет плотность энергии в световом пучке. При меньшей расходимости при тех же выходных характеристиках) плотность энергии будет больше 58. Электромагнитные дальномеры Электромагнитные дальномеры – это устройства для измерения расстояний повремени распространения электромагнитных волн между конечными точками линии. При этом предполагается, что скорость распространения электромагнитных колебаний в момент измерений известна и постоянна. Для определения скорости распространения электромагнитных волн в атмосфере используют формулу ε c n c V = = , (где n – показатель преломления атмосферы на пути электромагнитного излучения, который зависит от магнитной проницаемости µ и диэлектрической постоянной ε . В свою очередь, значения µ и ε зависят от плотности воздуха и частоты использованных колебаний. При качественном учете метеоусловий остаточная погрешность в определении расстояния составляет 1:500000. 148 При измерении коротких расстояний (до 1-2 км) точность измерений определяется, в основном, погрешностями измерения времени нахождения светового пучка в пути, при расстояниях в десятки километров – погрешностями в определении показателя преломления воздуха. Скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме известна с высокой точностью с = 299792458 мс. Точность измерения времени в настоящее время составляет примерно с, что соответствует расстоянию в 1-2 см. Такие дальномеры относят к точным. В зависимости от вида используемых электромагнитных колебаний дальномеры делят на свето- и радиодальномеры. В зависимости от характера излучения – на импульсные и фазовые. Все электромагнитные дальномеры состоят из двухосновных частей – приемопередатчика и отражателя, устанавливаемых в конечных точках линии. Рис. 6.3. Способы измерения расстояний: импульсный (а фазовый (б) При импульсном способе измерения расстояний риса) передатчиком 2 генерируются импульсы, которые направляются в сторону отражателя 4. От отражателя импульсы попадают на приемное устройство 3, которое отправляет эту информацию в индикатор времени 1, где регистрируется время начала посылки импульса и момент его прихода от отражателя. Таким образом, регистрируется время τ нахождения импульса в путина двойном расстоянии. Импульсы излучаются через равные промежутки времени с высокой частотой Импульсные дальномеры имеют сравнительно невысокую точность (от 1,5 дом, но обладают большой оперативностью, что целесообразно использовать для измерения расстояний до движущихся объектов. Наиболее точные импульсные дальномеры применяют в аэрофотосъемке для определения высоты фотографирования (точность измерений составляет 1,2 м в равнинной и дом в горной местности). Принципиальная схема фазового дальномера приведена на рис. 6.3 б. Передатчик 2 непрерывно излучает и направляет в сторону отражателя электромагнитные колебания с частотой f. Часть сигнала ответвляется на фазометр 5 (опорный сигнал. После отражения на приемника затем – на фазометр, поступает отраженный сигнал 2 t f ft ОТР ОП , (где ψ - начальная фаза колебаний при t = Разность фаз этих колебаний τ π ϕ ϕ ϕ f ОТР ОП 2 = − = ∆ , (6.6) 149 откуда Т f ОТР ОП ОТР ОП ϕ ϕ π ϕ ϕ τ − = − = 2 , (где Т – период колебаний. Современные фазовые дальномеры позволяют измерять расстояния с точностью от 1,5 до 15 мм, те. в пределах нескольких миллиметров 59. Светодальномеры Достоинство светодальномеров заключается в возможности сведения светового потока с помощью сравнительно простых и небольших по размерам оптических систем (антенн) в узконаправленный луч с высокой плотностью энергии в его поперечном сечении (использование лазерных источников излучения. Для светодальномеров характерна практическая прямолинейность светового луча. При использовании лазерных источников излучения практическая дальность действия в чистой атмосфере составляет 40-60 км. На рис. 6.4 приведена более полная схема фазового свето-дальномера. Он состоит из передатчика, включающего в себя источник излучения 6, оптическое устройство формирования светового потока 1, модулятор колебаний и оптическую передающую систему 3, отражателя 4, установленного в конечной точке линии, приемника, включающего приемную оптическую систему 8 с приемником излучения 9. В состав прибора входит генератор частоты 5, фазовращатель 7, который определяет значение τ , а Рис. 6.4. Схема фазового светодальномера также регистрирующее устройство, выдающее значение измеренного расстояния. Модуляторы изменяют излучение по амплитуде, частоте, фазе или плоскости поляризации излучения. Модуляторы должны обеспечивать изменение параметров излучения на высоких частотах до 100 – 150 МГц) с возможным плавным изменением указанной частоты в широком диапазоне. Модуляторы должны обладать малыми потерями света с целью обеспечения необходимой энергии выходного пучка, определяющей дальность действия прибора. Часто оптические передающая и приемная системы конструктивно объединены в одну (приемопередатчик). Оптические системы подразделяют на двухтрубные, однотрубные коаксиальные или разделенные, однотрубные совмещенные. По конструкции они бывают линзовыми и зеркально-линзовыми (рис. Оптическая схема риса применяется в отечественных светодально- мерах СВВ-1, СТ, СГ-3 и др. Система рис. 6.5 б используется в шведских 150 светодальномерах «Геодиметр». Система рис. 6.5 в применяется в светодаль- номерах «Кристалл». При измерениях используют пассивные зеркально-линзовые и трипель- призменные отражатели (рис. 6.5 где. Конструкция отражателя позволяет возвращать световой пучок потому же направлению, по которому он пришел на отражатель, те. точно в направлении на приемное устройство. При измерении больших расстояний, с целью увеличения отраженного сигнала, применяют уголковые отражатели, которые представляют собой блок из нескольких трипельпризм. Рис. 6.5. Оптические системы, применяемые в светодальномерах: а - линзовая двухтрубная б - совмещенная зеркально-линзовая коаксиальная в – зеркально-линзовая совмещенная отражатели г - зеркально-линзовый; д – двухзер- кальный со сферическим зеркалом е – трипельпризма; 1 – источник излучения 2 – модулятор 3 – светоразделительная призма-куб; 4 – сферическое зеркало передатчика 5 – оптическая система приемника 6 – четвертьволновая пластина 7 - биполяризатор Если коэффициент отражения объекта составляет 15-20%, то при использовании лазерного источника излучения можно работать без отражателя по стене дома белого цвета и др. В настоящее время применяют пленочные отражатели, приклеиваемые на конструкции сооружений, в том числе ив недоступных местах. Пленочный отражатель имеют широкую диаграмму 151 отражения светового сигнала, что позволяет производить измерения и при боковых на него направлениях светового пучка от передатчика. В табл. 6.1 приведены характеристики некоторых светодальномеров, используемых геодезическими и маркшейдерскими службами. Таблица 6.1 Тип Страна Точность измерений Дальность действиям СМ «Блеск» Россия 2 см – 3000 (СТ Россия (10+5Dкм)мм 50 – 5000 2СТ-10 Россия (5+3Dкм)мм 200 – 10000 СП-22 «Топаз» Россия (1+Dкм)мм СП-03(ДК 001) Россия (0,5+1,5Dкм)мм 0,5 - 300 СМ-5 Россия 50 мм – 500 МСД-2Ц Россия 10 мм – 200 Д1-001 Россия 0,7 мм + 1,5 мм/км 0,5 – 500 ДВСД-1200 Россия 0,25 мм + 1 мм/км 0,5 – 250 «Лейка» Швейцария 2 мм До 50 МЕ-3000 Швейцария 0,2 мм + 1 мм/км 1 - Япония мм + 5 мм/км 1 - 800 |