NZK c.1-2 /03 - Heister, H.

Novinky zeměměřické knihovny č.1-2/2003

*HEISTER, Hans*	VÚGTK 2 332
Ke kalibraci digitálních nivelačních systémů
[Zur Kalibrierung von digitalen Nivellier-Systemen]

Přeložil P. Vyskočil (zkráceno).
Zdiby: VÚGTK, 2003. - 2 s.
In: AVN. Allg. Vermess.-Nachr. - ISSN 0002-5968. - Roč.109, č.11-12 (2002), s.380-385 : 10 obr. - Res. něm. - Lit.9.

Klíčová slova: nivelační přístroje, latě, kalibrace, komparátor, systematické chyby, dělení latě, digitální přístroje

Úvod

Přezkoušení přesných nivelačních latí, zejména jejich měřítka, bylo stále úkonem, prováděným s velkou pečlivostí. Dlouhou dobu bylo cílem určit systematické odchylky, vyplývající z nedostatečné znalosti laťového dělení. V sedmdesátých letech vyvinul prof. Schlemmer kalibrační postup pro přesné nivelační latě a otevřel poprvé možnost automatizovat opravy jednotlivých čárek dělení s měřickou jistotou 7 mikrometrů. Se zavedením digitálních nivelačních přístrojů byly dosavadní přesné invarové latě s ekvidistatním čárkovým dělením nahrazeny invarovými kódovanými latěmi. S tím byly spojeny nové zkušební postupy, které musely tuto inovaci brát v úvahu. Přestože byly pak zpracovány různé kalibrační metody a zařízení, zůstávají pro různá kalibrační zařízení různě působící nežádoucí odchylky, které kazí výsledky kalibrace. Navíc zůstávala stále otázka, zda je prováděna kalibrace latí nebo celého systému. V následujícím textu je pojednáno o zařízení pro kalibraci systému a dalších opatřeních, které vedou k eliminaci vlivu chyb.

Zařízení pro kalibraci systému UniBwM

V geodetické laboratoři UniBw (univerzity Bundeswehru) Mnichov bylo sestrojeno zařízení pro kalibraci měřicích systémů: digitální nivelační přístroj - kódová lať. Kódová lať je uložena na dvou měřicích saních a může se automaticky pohybovat v libovolně volených měřických intervalech. Digitální nivelační přístroj je upevněn na výškově nastavitelné konzole přes interferometrickou osu. Horizontální záměrná přístroje je orientována na vzdálenost 8,20 m a pootočena o 90⁰ k podložené lati tak, že je dosaženo 8,40 m délky záměry. Rovinné zrcadlo s náklonem 45⁰ umožňuje interferometricky měřené rozdíly dráhy pohybu (vodorovné posunutí latě) a digitálně měřené laťové dílky (digitálním nivelačním přístrojem) převést do stejné měřické oblasti kódové latě. Analýzy zkušebních měření vedou k poznatku o měřické nejistotě digitálního nivelačního systému a měřítka kódové nivelační latě.

Vlivy systematických chyb

Existují typické jevy a faktory, které se vyskytují téměř u všech komparátorů a mají tedy podstatný význam. Při kalibraci systému to jsou zejména:

chování interferometru při zapojení,
teplotní změny v nivelačním přístroji a na něm,
přesnost polohy a stability kódové latě,
uložení kódové latě.

Náběhové fáze laserového interferometru HP 5507b jsou sledovány na změnách jeho délky, měřené na pevný reflektor po dobu typické kalibrační přípravy, rozdělené na měření tam a zpět po dobu asi 45 minut. Stability je dosaženo asi po 38 minutách, avšak k výchozí posici dochází k systematické odchylce 4,5 mikrometru. Jestliže je v této době provedena kalibrace, vyvolává tento výrazný systematický vliv u latě 3 m odchylku měřítka 1,5 ppm.

Teplotní změny v nivelačním přístroji a na něm vedou k systematickému pochybení digitálního odečtu latě, vyvolaného převážně teplotní citlivostí kompenzátoru. Průběh změn odečtu výšek u přístroje ZEISS DiNi 10 (výr. č. 013210) ukazuje, že po ohřátí na 36⁰ C a stabilním odečtu na počátku ochlazování (aklimatizace na teplotu laboratoře 23,5⁰ C) dojde ke změně odečtu 0,13 mm. Po 120 min. se stabilizuje na systematicky změněné čtení vzhledem k výchozímu na 0,05 mm. Takové chyby ze zbytkové teplotní změny závisí také na typu přístroje.

Na rozdíl od kalibračních postupů samotné latě je při kalibraci systému nutná neměnná pozice latě. Během opakovaného měření musí lať zaujímat stálou polohu, což prodlužuje přesné řízení měřických saní s krátkodobou a dlouhodobou stabilitou. Experimentální měření bylo provedeno na kalibračním zařízení UniBwM, prostřednictvím časové osy obousměrného měření s prahovou maximální odchylkou 5 mikrometrů. Avšak také v tomto případě se projevují driftu podobné odchylky vyvolané elektronikou a vyvolávají patrné změny měřítka latě. Zkoušky byly provedeny rovněž pro vodorovnou i svislou polohu latě, přičemž nebyly zaznamenány podstatnější rozdíly.

Zdokonalená kalibrace systému

Měřicí přístroj je výrobcem konstruován tak, že je optimalizován na typický proces měření. V laboratoři je tato skutečnost brána v úvahu, avšak lze ji pouze neúplně reprodukovat. Příkladem je vodorovná a svislá poloha latě, kdy vliv teplotního gradientu na odečet latě v terénu není v laboratoři reprodukovatelný. Při úvahách o přednostech a nedostatcích by měla souhrnná bilance všech měřických nejistot vést k určitému kompromisu. Pro zdokonalení kalibračních postupů byla proto na komparátoru UniBwM osazena dodatečná kódová lať, která dovoluje jako pevné referenční zřízení měření diferencí:

dhi = hiref. – hizkuš., kde i = 1, 2, 3, ....n

Pak jsou, při časově blízkém čtení zkoušené a referenční latě kompenzovány časově a teplotně závislé změny záměrné. Při dalším vyhodnocení se pak porovnává a analyzuje diference dhi s měřením interferometru. Toto zlepšení postupu pro kalibraci systému bylo nezbytné proto, že odečet na digitálním přístroji během zkušebního měření (na rozdíl od použití v praxi) musí být proveden s vysokou frekvencí a kontinuálně po dlouhý časový interval 60 - 90 min. Pro praktické uskutečnění takového kalibračního postupu bylo třeba provést ještě další konstrukční opatření zmíněná v pojednání.

Výsledky zlepšené kalibrace systému

S výše popsaným modifikovaným kalibračním zařízením byla provedena kalibrace digitálního nivelačního systému ZEISS DiNi 10 (výr. č. 13210). Bylo provedeno celkem 128 měření na kódovou lať, jednak tam a zpět, jakož i odpovídající čtení k referenční lati. Současně byla registrována teplota v blízkosti přístroje. Výsledky zkoušek jsou prezentovány v originále pojednání graficky. Porovnání teploty u přístroje se změnami čtení na referenční lati ukázalo silnou korelaci (r = 0,87). Byly zaznamenány změny čtení na referenční lať při lineární změně teploty +0,3 ⁰C o velikosti 0,055 mm. Při stabilní teplotě (asi 20 % čtení) vykazovalo stabilitu i čtení na lati. Změna záměrné 1,4 mgon / ⁰C byla způsobena nejen ohřevem prostředí, ale i vlastním ohřevem přístroje. Při měření pouze na zkoušenou lať nevykázalo měření tam a zpět použitelnou hodnotu pro určení měřítka. S diferencemi mezi obousměrným měřením asi 27 ppm bylo určeno "střední" měřítko 23 ppm. Vyhodnocení měření diferencí (zkoušená lať a referenční) vedlo k použitelným výsledkům a signifikantní teplotní vlivy byly úplně eliminovány.

Závěr

Kalibrace systému digitální nivelační přístroj a kódová lať může být modifikací kalibračního zařízení zlepšena tak, že vedle přezkušované kódové latě je v její polohové i časové blízkosti odečítána referenční lať. Automatizace tohoto měřického procesu je celkem jednoduchá. Celé dodatečné zařízení může být využito na kalibračních zařízeních pro vodorovné i svislé latě. Při postupu užití diferencí není nutno speciálně temperovat laboratoř, neboť teplotní vlivy jsou prakticky eliminovány. Zvýšení přesnosti a spolehlivosti kalibračního měření ospravedlňuje prodloužení délky měření, které činí asi 90 minut.