Метрологическое обслуживание геодезических и фотограмметрических приборов

Тема 7. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Лекция №12, 13

Теоретические основы точности измерения и изготовления топографо-геодезических приборов

Для выполнения топографо-геодезических работ выпускается много приборов камерального назначения. К ним относятся приборы для измерения и построения на топопланах и картах расстояний и направлений (геодезические транспортиры), для измерения площадей (планиметры), для измерения длин кривых линий (курвиметры), для перерисовки планов и карт в измененных масштабах (пантографы, пропорциональные циркули) и для других целей.

Геодезические транспортиры выпускаются серийно в соответствии с ГОСТ 13494-80; курвиметры выпускаются но ГОСТ 300-69. Остальные камеральные приборы выпускаются по техническим условиям.

Камеральные приборы содержат угломерные и линейные шкалы с ценой деления, как правило, 1мм. Шкалы изготавливаются из металла или пластмассы. Для отсчитывания по шкалам используются: лупа с индексом или нониус. Точность построения шкал ориентирована на обеспечение графической точности топографических планов и карт. Конструктивное оформление приборов рассчитано на их эксплуатацию в нормальных климатических условиях камерального производства. Камеральные приборы находят широкое применение при чертежно-оформительских, картосоставительских, топографических и других видах работ.

Метрологическое обслуживание прибора — комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на осуществление метрологического обеспечения на различных этапах жизненного цикла прибора — от разработки до применения в народном хозяйстве. Метрологическое обеспечение в геодезическом приборостроении направлено на установление и применение современных научно-методических приемов, правил и норм, необходимых для достижения единства и достоверности измерений.

Как известно, геодезические приборы позволяют получать информацию об угловых, линейных величинах (в плане и по высоте) или их функциях (приращениях координат, горизонтальных проложениях, превышениях). Для обеспечения единства измерений необходимо, чтобы измеряемые величины выряжались в принятой системе единиц. В 1971 г. XIV Генеральной конференцией по мерам и весам была принята система единиц СИ, которая введена в народное хозяйство страны с 01.01.1980г.

Единицей плоского угла СИ является радиан — угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад= 57°17'44,8'.

Единицей длины СИ является метр — длина, равная 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5 атома криптона-86 (оранжевой линии спектра).

В практике высокоточных астрономо-геодезических измерений и фундаментальных исследований используются единица времени — секунда и связанная с ней единица частоты — герц (1 Гп = 1 с"¹). В качестве единицы времени СИ служит секунда — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Общесоюзная поверочная схема для средств измерения времени и частоты установлена ГОСТ 8.129—77. Государственный первичный эталон времени и частоты представляет собой сложный комплекс аппаратуры, включающей водородные и кварцевые генераторы, делители частоты от 100 кГц до 1 Гц, оборудование для сличения частот, квантовые часы для хранения шкал времени, аппаратуру средств обеспечения. Государственный первичный эталон воспроиз­водит единицу времени и частоты со средним квадратическим отклонением результатов измерений не более, 1х10¹⁸ при неисключенной систематической погрешности не более 1х10^м.

Метрологическое обслуживание геодезических приборов ведется через систему испытаний, аттестаций, поверки, исследований; разумеется, метрологическому обслуживанию подлежат лишь средства измерений. Дадим определения основных понятий системы метрологического обслуживания.

Испытания — совокупность экспериментальных операций, проводимых с целью установления соответствия прибора по своим техническим параметрам, размерам и характеристикам требованиям НТД, распространяющихся на прибор. Испытания, проводимые с целью утверждения типа прибора и решения вопроса о возможности его выпуска в обращение, называют приемочными.

Испытания, проводимые с целью проверки стабильности и качества серийного выпуска приборов, называют контрольными.

Метрологическая аттестация — совокупность экспериментальных операций, проводимых с целью установления соответствия средства измерений своему назначению и выявления его метрологических характеристик. Как правило, метрологической аттестации подвергаются не стандартизованные средства измерений и приборы, ввозимые из-за границы.

Исследование — совокупность экспериментальных операций или теоретических приемов, направленных на изучение конкретных характеристик и свойств прибора либо определение зависимости параметров (функций) от изменения воздействующих факторов (аргументов).

Одно из основных понятий в системе метрологического обслуживания — поверка. Поверкой называется совокупность экспериментальных операции, направленных на осуществление контроля метрологической исправности прибора. При этом под метрологической исправностью будем понимать такое состояние средств измерений, при котором его метрологические характеристики отвечают установленным требованиям.

В отличие от испытаний при поверке прибора контролируется не весь комплекс параметров и характеристик, установленных в НТД, а лишь имеющие отношение к метрологической исправности прибора, т.е. метрологические характеристики. В зависимости от того, кем проводится поверка — государственной или ведомственной метрологической службой, различают государственную и ведомственную поверку средств измерений. Государственной поверке подлежат средства измерений, входящие в состав государственной системы приборов (ГСП), и измерительные приборы, используемые при государственных испыта­ниях и контроле технологических процессов как образцовые средства. Геодезические приборы поверяются ведомственной метрологической службой: заводов-изготовителей — при выпуске из производства и после ремонта, организаций-потребителей — в процессе эксплуатации.

Методы и средства поверки геодезических приборов в процессе эксплуатации устанавливаются инструкцией, утвержденной ГУГК.

Поверка, осуществляемая при выпуске приборов из производства или после ремонта, называется первичной; поверка, осуществляемая при эксплуатации или хранении приборов через установленные промежутки времени, называется периодической.

Составными элементами поверки являются такие понятия, как «метод», «средство», «операция». Метод поверки — совокупность правил и технических приемов проведения поверки. Для геодезических приборов применимы следующие известные в метрологии методы поверки: прямые измерения поверяемым прибором величины, воспроизводимой образцовым измерительным прибором или мерой; сличение поверяемого прибора с образцовым средством изме­рений при помощи компаратора. Для геодезического прибора характерно также применение метода самокалибровки, основанного на использовании известных математических условий и технологических особенностей геодезических построений.

К средствам поверки относят технические средства (приборы, стенды, устройства), предназначенные для контроля метрологических характеристик поверяемых приборов. К средствам поверки геодезических приборов можно причислить, например, экзаменатор, автоколлиматор, компаратор МК-1, измерительный микроскоп УИМ, многогранник, полевой контрольный базис, штриховую меру, измерительную линейку.

Операция поверки — самостоятельный этап поверки, результатом которого является определение фактического значения метрологической характеристики поверяемого прибора. Операции поверки в метрологической практике называют следующим образом: визуальный (внешний) осмотр, опробование, проверка, определение, контроль, исследование. Состав операций поверки зависит как от устройства, назначения и точности прибора, так и от метода выявления основных метрологических характеристик. При этом допускается определять основную метрологическую характеристику прибора двумя путями. Первый путь — поэлементная поверка, при которой метрологическая исправ­ность прибора определяется по характеристикам отдельных элементов (напри­мер, для нивелира — по ошибкам установки визирной оси в горизонтальное положение, отсчета по рейке, за влияние угла I, неточности нанесения делений рейки и т. д.). Второй путь — комплектная поверка, при которой оценивается суммарная погрешность прибора как единого целого по результатам измерений.

Неотъемлемой частью методики поверки является установление условий поверки. Под условиями поверки "следует понимать состояние физических факторов, влияющих на метрологические характеристики поверяемых средств измерений. Различают рабочие и нормальные условия поверки. Рабочие условия соответствуют всему диапазону применения прибора; получаемые при этом характеристики и параметры отягощены дополнительными погрешностями, вызываемыми влияющими факторами. Первичную поверку проводят, как правило, при нормальных условиях, оговариваемых действующей нормативно-технической документацией. При нормальных условиях, осуществляемых обычно в лабораторных помещениях, влияющие факторы сведены к практически пренебрегаемым величинам.

Перед поверкой прибор помещают в рабочее пространство не менее чем за 2 ч до начала измерений. Контрольно-измерительное оборудование и образцовые" средства располагают с учетом удобства управления ими, обеспечения заданного режима измерений и правил эксплуатации.

Содержание поверочных работ определяется требованиями НТД вида «Методы и средства поверки». Периодичность и объем поверки устанавливаются в зависимости от типа прибора (с учетом сложности конструкции, точности измерений), условий применения в геодезической практике, а также его метрологической надежности.

Виды технического обслуживания геодезических и фотограмметрических приборов

Принято различать следующие основные фазы жизненного цикла прибора: разработка, установочная серия, серийное производство, эксплуатация, ремонт, хранение. Техническое обслуживание на каждой из названных фаз существования прибора имеет свои характерные особенности.

Под техническим обслуживанием будем понимать комплекс подготовительных, технологических, методических и физико-механических операций, направленных на обеспечение готовности прибора для применения по назначению.

По отношению к геодезическим приборам можно выделить следующие основные виды технического обслуживания: профилактический осмотр, подготовка прибора к работе, эксплуатационная поверка и юстировка, ремонт (текущий, средний, капитальный), технологическое обслуживание, метрологическое обслуживание, хранение при использовании по назначению.

Полнота перечисленных видов технического обслуживания для разных типов приборов неодинакова и связана в конечном счете с точностью геодезических измерений.

Эксплуатацию геодезических приборов следует отнести к числу сложных процессов, так как для поддержания надежности на должном уровне требуется вмешательство квалифицированного специалиста (наблюдателя, оператора) в процесс выполнения измерений. Это обстоятельство во многом предопределяет природу и сущность мероприятий по техническому обслуживанию приборов в период их эксплуатации и при подготовке к ней, т.е. комплекс работ, направленных на поддержание надежности приборов на заданном уровне.

Главная цель этих мероприятий — предотвратить случаи появления отказов при измерениях (наблюдениях). Эта цель реализуется путем проверки через установленные интервалы времени состояния прибора, юстировки отдельных его элементов, регулировки частей и устранения выявленных неисправностей.

В рабочих условиях, видимо, следует говорить об эксплуатационной надежности прибора, понимая под этим свойство прибора безотказно работать в течение определенного интервала времени в заданных условиях (режимах) применения при соблюдении установленных нормами мер технического обслуживания.

Как показывает практика, определение надежности только по данным разброса параметров и среднему времени между отказами прибора является явно недостаточным. Более подробную и точную характеристику надежности можно получить при наличии следующей дополнительной информации: квалификация обслуживающего персонала, качество и количество работ по техническому обслуживанию, наличие запасных частей, наличие поверочной аппаратуры, наличие эксплуатационной документации и ее качество, условия транспортирования, качество укладочных футляров (амортизационных устройств).

Выяснение причин отказов в процессе эксплуатации приборов — трудоемкая и достаточно кропотливая задача. Отказы по характеру возникновения принято разделять на внезапные и постепенные. Внезапные отказы приводят к скачкообразному изменению параметров. Эти отказы могут быть вызваны экстремальными факторами внешней среды, наличием в приборе дефектных элементов, конструктивными недоработками. Постепенные отказы обусловлены накапливающимися изменениями параметров. Причиной постепенных отказов могут быть износ и старение элементов прибора, несогласованность работы отдельных частей прибора, неточная юстировка и регулировка его подвижных узлов. Отказы, возникающие при эксплуатации, с точки зрения последствий от их проявления подразделяют на функциональные и метрологические; функциональные отказы приводят к временной потере работоспособности, метрологические отказы вызывают ухудшение качества наблюдений, способствуют появлению недопустимых погрешностей в результатах измерений. Устранение отказа обеспечивается проведением юстировки или ремонта прибора.

Геодезические приборы, как известно, относятся к восстанавливаемым изделиям, т.е. они приспособлены к ремонту. В зависимости от особенностей, степени износа и неисправностей прибора различают текущий, средний и капитальный ремонт.

Текущий ремонт — минимальный по объему вид ремонта, при котором обеспечивается нормальная эксплуатация прибора. В процессе текущего ремонта неисправности устраняют заменой или восстановлением отдельных составных частей, а также выполняют юстировочные работы. Текущий ремонт выполняют силами обслуживающего персонала и ремонтными службами предприятий-изготовителей.

Средний ремонт заключается в восстановлении эксплуатационных качеств прибора ремонтом или заменой поврежденных или исчерпавших свой ресурс составных частей. При среднем ремонте в обязательном порядке проверяется техническое состояние всех остальных частей прибора с устранением обнаруженных неисправностей. Средний ремонт выполняют стационарные ремонтные службы.

Капитальный ремонт заключается в полной разборке прибора, подробном составлении дефектной ведомости, в замене или ремонте большинства важнейших составных частей, проверке всех составных частей, чистке и сборке прибора, его полной поверке, в случае необходимости — юстировке. Капиталь­ный ремонт выполняется стационарными ремонтными предприятиями.