Analiza wybranych niepewności i błędów pomiarowych występujących podczas pomiarów tachimetrami elektrooptycznymi stosowanymi w budownictwie

Transkrypt

1 Analiza wybranych niepewności i błędów pomiarowych wysępujących podczas pomiarów achimerami elekroopycznymi sosowanymi w budownicwie Mgr inż. Karol Daliga Poliechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Na przełomie XX i XXI wieku pojawiły się na polskim rynku najnowocześniejsze geodezyjne insrumeny pomiarowe, m.in. ze źródłem świała laserowego, sosowane w różnych branżach budownicwa i przemysłu. Posęp echniczny spowodował, że geodezyjne insrumeny pomiarowe są coraz dokładniejsze, prossze w obsłudze i coraz ańsze. Dosępność do nowoczesnych insrumenów i prosoa ich obsługi spowodowała znaczne skrócenie czasu prac geodezyjnych wykonywanych na budowach oraz zwiększyła efekywność pracy inżynierów geodezji i budownicwa (rys. 1). Duża efekywność pracy z geodezyjnymi insrumenami pomiarowymi jes spowodowana zwiększonym sopniem auomayzacji procesu pomiaru, archiwizacji danych oraz ich późniejszej obróbki. Jednocześnie auomayzacja wielu procesów a) oraz zmniejszenie sopnia rudności obsługi insrumenów pomiarowych powoduje o, że obserwaor operaor insrumenu pomiarowego częso bezkryycznie ufa wynikom uzyskanym dzięki sosowaniu nowoczesnego insrumenu pomiarowego. Dodakowo, obserwaor może uracić, w pewnym sopniu, konrolę nad wykonywanymi pomiarami i wynikami pomiaru. Ponado, świało laserowe o coraz większej mocy sosowane w insrumenach geodezyjnych swarza ryzyko nieumyślnego uszkodzenia oczu osoby posronnej przebywającej na budowie w obszarze wiązki świała laserowego. W arykule opisano niekóre zjawiska wysępujące podczas wykonywania pomiarów insrumenami geodezyjnymi, szczególnie z zasosowaniem emisji i rejesracji świała z zakresu widzialnego lub podczerwieni. Arykuł jes konynuacją emayki poruszanej m.in. w publikacjach [12, 17] poświęconych echnikom pomiarowym i insrumenom geodezyjnym sosowanym w budownicwie. WYBRANE NOWOCZESNE INSTRUMENTY GEO- DEZYJNE ZE ŹRÓDŁEM ŚWIATŁA LASEROWEGO STOSOWANE W BUDOWNICTWIE b) Rys. 1. Zasosowanie zesawu GPS i achimeru na budowie (a) [7] oraz w budownicwie drogowym (b) [10] W budownicwie są sosowane różne rodzaje nowoczesnych urządzeń i przyrządów pomiarowych. Można do nich również zaliczyć wszelkie geodezyjne insrumeny pomiarowe. Są one używane w rakcie realizacji obieków budowlanych, ich inwenaryzacji oraz do szczegółowej analizy zachowania się konsrukcji podczas eksploaacji. W rakcie budowy i eksploaacji budowla inżynierska oraz jej elemeny ulegają przemieszczeniom i odkszałceniom, kórych warości nie mogą przekraczać warości dopuszczalnych, zapewniających bezpieczną eksploaację. Pomiary przemieszczeń lub deformacji budowli mogą być mierzone w sposób względny lub bezwzględny. Do pomiarów względnych są sosowane czujniki lub przyrządy bezpośrednio monowane do konsrukcji (np. ensomery, akceleromery, przyrządy śledzące pozorny ruch plamki świała laserowego). Pomiary bezwzględne charakeryzuje odniesienie wyników pomiarów do bazy znajdującej się poza mierzonym obiekem. Do ych pomiarów zalicza się pomiary wykonywane np. niwelaorami, eodoliami, achimerami, skanerami laserowymi oraz pomiary saeliarne [11, 12]. Dzięki miniauryzacji i znacznemu obniżeniu koszów produkcji podzespołów elekronicznych oraz elekroopycznych achimery mają wbudowane dalmierze elekroopyczne z półprzewodnikowym źródłem świała, elekroniczne sysemy odczyu odległości oraz kierunków (do obliczania kąów pionowych i poziomych). Mają również sysem archiwizacji i ransferu danych oraz podsawowe funkcje obróbki danych. Przykładem 102

2 Przykładami achimerów (przemysłowych) z akimi funkcjami jes achimer Leica TS30 (rys. 3a) [6] oraz achimery SOKKIA serii NET (rys. 3b) [8]. Tachimer Leica TS30 wykonuje pomiar odległości z dokładnością do (0,6 mm + 1 mm/km) pomiar do pryzmau lub z dokładnością do (2 mm + 2 mm/km) dla pomiaru bezreflekorowego. Dokładność pomiaru kierunku wynosi 0,5 [6]. Tachimer SOKKIA NET05AX wykonuje pomiar odległości z dokładnością do (0,8 mm + 1 mm/km) pomiar do pryzmau lub z dokładnością do (1 mm + 1 mm/km) dla pomiaru bezreflekorowego. Dokładność pomiaru kierunku wynosi 0,5 [8]. ZAGROŻENIA PODCZAS POMIARÓW GEODEZYJ- NYCH WYKONYWANYCH INSTRUMENTAMI Z LASEROWYM ŹRÓDŁEM ŚWIATŁA Rys. 2. Tachimer firmy Topcon GTS-102N [9] achimeru ego ypu, sosowanego do pomiarów na budowie, jes achimer firmy Topcon GTS-102N przedsawiony na rys. 2. Jego dokładność pomiaru odległości do pryzmau wynosi (2mm+2mm/km), a pomiaru kierunków 2 [9]. Do pomiarów o większej dokładności kąowej niż 2 sosuje się achimery zmooryzowane (rys. 3). Dzięki zasosowaniu silników (serwomoorów) i odpowiedniemu oprogramowaniu achimery zmooryzowane porafią samodzielnie usawić oś celową na zadany kierunek. Jeżeli mają dodakowo opcję śledzenia reflekora (pryzmau), mogą samodzielnie, dokładnie usawić oś celową na reflekor w punkcie pomiarowym. Tachimery zmooryzowane można również zaprogramować ak, aby w sposób auomayczny śledziły kolejno położenie wielu pryzmaów. a) b) Porzeba wykonywania geodezyjnych pomiarów w budownicwie w różnych warunkach amosferycznych (wilgoności, emperaury), przy różnym oświeleniu i zapyleniu oraz na różnych powierzchniach markujących punky pomiarowe spowodowała konieczność zwiększenia mocy źródeł świała laserowego sosowanego w achimerach (w zakresie od poniżej 1 mw do ponad 5 mw). Do pomiarów, w kórych znacznikiem punku pomiarowego jes reflekor (lusro, pryzma, folia odblaskowa) lub pomiar jes prowadzony na małych odległościach (do około 30 m), wysarczy zasosowanie źródła świała laserowego klasy pierwszej. Lasery ej klasy są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, zn. gdy są sosowane zgodnie z ich przeznaczeniem, są bezpieczne dla oka [15]. W przypadku, gdy pomiar położenia punku ma być wykonany z dużej odległości z zasosowaniem reflekora (powyżej 100 m) lub punk pomiarowy nie jes oznaczony reflekorem (zw. pomiar bezlusrowy) wymaga się zasosowania lasera większej mocy, np. powyżej 1 mw. W achimerach umożliwiających pomiar bezreflekorowy są sosowane lasery klasy 3R. Lasery ej klasy o lasery, dla kórych bezpośrednie parzenie w wiązkę, zarówno w wiązkę wychodzącą, jak i w wiązkę odbią (bezpośrednio i przez przyrządy opyczne) jes poencjalnie niebezpieczne [15]. Sosowane w achimerach półprzewodnikowe źródła świała laserowego emiują świało, zależnie od modelu achimeru, z zakresu nm. Promieniowanie z ego zakresu może powodować foochemiczne i ermiczne uszkodzenie siakówki oka, dlaego eż przed rozpoczęciem pomiarów należy sprawdzić, jakiej klasy laser jes zainsalowany w achimerze. Informacja o klasie lasera musi znajdować się w insrukcji obsługi insrumenu. Na obudowie insrumenu również powinna znajdować się żóło-czarna naklejka informująca o klasie lasera sosowanego w insrumencie. ANALIZA WPŁYWU ZMIANY WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA NA POMIAR ODLEGŁOŚCI METODĄ IMPULSOWĄ I FAZOWĄ Rys. 3. Przykłady przemysłowych achimerów zmooryzowanych: a) Leica TS30, b) SOKKIA serii NET [6, 8] Dalmierze elekroopyczne zainsalowane w achimerze dokonują pomiaru odległości meodą impulsowa lub fazową. Meoda impulsowa polega na wysyłaniu z dalmierza impulsów 103

3 świała oraz pomiaru czasu, w jakim impuls pokonał drogę od insrumenu do punku pomiarowego i z powroem. Na podsawie orzymanego czasu oraz współczynnika załamania świała (usalonego w insrumencie za pomocą poprawki amosferycznej, zależnej m.in. od emperaury [16]) jes obliczana odległość między insrumenem a punkem pomiarowym, zgodnie z równaniem (1) [14]: c c D = n = (1) n v gdzie: D odległość między achimerem i punkem pomiarowym, zmierzony czas między wysłaniem i odebraniem sygnału, c prędkość świała w próżni, n współczynnik załamania świała w powierzu (sosowany do obliczeń przez achimer), v prędkość świała w powierzu. Z równania (1) wynika, że obliczona odległość między achimerem a punkem pomiarowym jes zależna od przyjęego współczynnika załamania świała amosfery oraz zmierzonego czasu. Niedokładność pomiaru czasu oraz niepoprawnie przyjęa warość współczynnika załamania świała powoduje błędny pomiar. W celu uwzględnienia wpływu emperaury współczesne achimery mają możliwość wprowadzenia warości emperaury amosfery, w kórej są wykonywane pomiary. Służy ona do auomaycznego obliczenia poprawek amosferycznych, kóre określają warość współczynnika załamania świała amosfery w czasie pomiarów. Przykładowe odległości do punku obliczone na podsawie równania (1) przez przykładowy dalmierz impulsowy sosujący długość fali λ = 589,3 nm (barwy żółej) w zależności od emperaury amosfery przedsawiono w abl. 1. Tabl. 1. Porównanie obliczonych odległości w zależności od emperaury amosfery Temperaura [ C] Współczynnik załamania świała n [16] 0 1, Odległość rzeczywisa c [m] Odległość obliczona przez dalmierz [m] 199, , , , , , , , ,949 Zdarza się czasami, że podczas pomiarów, w celu ochrony przed deszczem, achimer należy przykryć przezroczysą osłoną. Taka osłona powoduje powsanie błędów sysemaycznych pomiaru odległości oraz kierunków. Poniżej zaprezenowano analizę przypadku błędu sysemaycznego pomiaru odległości spowodowanego obecnością przezroczysej osłony achimeru. Schemayczny rysunek położenia osłony między achimerem a punkem pomiarowym przedsawiono na rys. 4. Dla warości współczynnika załamania świała amosfery n i przy osłonie P o grubości d i współczynniku załamania świała n p, czas porzebny wysłanemu impulsowi na przebycie drogi 2D można obliczyć za pomocą równania (2): n p ' 2 n n = D + 2d (2) c c Rys. 4. Schema pomiaru odległości do punku achimerem w przezroczysej osłonie Po przekszałceniu równań (1) i (2) orzymuje się równanie (3) opisujące różnicę między odległością do punku pomiarowego D a odległością zmierzoną przez achimer w osłonie: np n D = d (3) n Jeżeli przyjmiemy, że n = 1 (współczynnik załamania amosfery), a osłona wykonana jes ze szkła o współczynniku załamania świała n p = 1,45, o isnienie osłony spowoduje zawyżenie odczyu o ΔD = 0,45d (dla osłony grubości 2 mm ΔD = 0,9 mm). W achimerze z fazowym pomiarem odległości deekor rejesruje różnice faz między sygnałem emiowanym a sygnałem odebranym po odbiciu od punku pomiarowego. Fazowy pomiar odległości również zależy od właściwie przyjęego współczynnika załamania świała amosfery. Odległość a jes obliczana z równania (4) [14]: c λ D = ( N + R) = ( N + R) 2 f n 2 gdzie: D odległość między achimerem a punkem pomiarowym, c prędkość świała w próżni, f częsoliwość fali wzorcowej, n współczynnik załamania świała zasosowany do obliczenia odległości, N liczba pełnych długości fali wzorcowej mieszczących się w odległości 2D (wpros nierejesrowalna), R resza (rejesrowana przez fazomierz), λ długość fali wzorcowej emiowanej przez dalmierz. Producenci achimerów zamieszczają w insrukcjach obsługi równania i nomogramy, za pomocą kórych można obliczyć wpływ współczynnika załamania świała na pomiar odległości [13]. Wzory e są również zaimplemenowane w insrumencie pomiarowym. WPŁYW REFRAKCJI ŚWIATŁA NA WYNIKI POMIARÓW GEODEZYJNYCH Warość współczynnika załamania świała n wpływa nie ylko na pomiar odległości. Zmiana współczynnika załamania świała n, zgodnie z prawem Snelliusa, może prowadzić do wysąpienia zjawiska refrakcji. Zjawisko refrakcji wysępuje, gdy gradien współczynnika załamania świała ma składową prosopadłą i równoległą do kierunku biegu promienia świała. Zjawi- (4) 104

4 PODSUMOWANIE Rys. 5. Schema zjawiska refrakcji dla wiązki świała sko o objawia się ciągłą zmianą kierunku biegu wiązki świała. Zjawisko refrakcji przedsawiono schemaycznie na rys. 5, gdzie małe n oznacza obszar o mniejszej warości współczynnika załamania, naomias duże n oznacza obszar o większej warości współczynnika załamania świała. Zjawisko refrakcji nie wpływa znacząco na pomiar odległości (oszacowane wydłużenie o około 1 mm na długości 1 km) [4]. Naomias wpływa niekorzysnie na pomiar kierunków oraz yczenie linii prosej (odchylenie od linii prosej może wynosić około 1 mm/100 m) [1]. Zjawisko refrakcji powoduje wzros niepewności pomiaru, ponieważ nie jes możliwe dokładne określenie jego wpływu na warość pomiaru odległości i kierunków. Zjawisko refrakcji wysępuje m.in. w obszarze o przesrzennie zmiennej wilgoności, emperaurze [3] oraz w pobliżu obszarów silnych pól elekrycznych [2]. Przykładem obszarów o zmiennej wilgoności są ereny przybrzeżne. Podczas wykonywania pomiarów geodezyjnych na ych erenach, np. przy realizacji obieków hydroechnicznych ypu nabrzeży, falochronów (rys. 6) lub zapór wodnych, należy bezwzględnie uwzględniać wpływ refrakcji. Wpływ zjawiska refrakcji, w przypadku przedsawionym na rys. 6, będzie największy, jeżeli oś celowa achimeru (kierunek pomiaru) będzie przechodzić przez Obszar zjawiska refrakcji. Zjawisko refrakcji będzie miało mniejszy wpływ na niepewność pomiaru, jeżeli oś celowa będzie znajdować się w obszarze nabrzeża lub falochronu. Współczesne achimery elekroopyczne są coraz doskonalsze i bardzo przydane do pomiarów przemieszczeń wybranych punków oraz deformacji całych budowli inżynierskich. Jeżeli paramery amosfery między achimerem i punkem pomiarowym są jednorodne, niezmienne lub mierzone są małe odległości, o wpływ refrakcji i błąd pomiaru odległości związany z amosferą można ławo oszacować lub pominąć. Jeżeli paramery amosfery między insrumenem i punkem pomiarowym wykazują dużą zmienność, należy być świadomym, że rejesrowane dane będą obarczone błędami przypadkowymi, kóre zmniejszają dokładność pomiaru. Jes o isone, jeżeli rejesrowane przemieszczenia punków pomiarowych znajdujących się na budowli inżynierskiej są rzędu milimerów. Przedsawione zagadnienia doyczą nie ylko achimerów. Doyczą one również innych meod pomiarowych, sosujących emisję i/lub rejesrację promieniowania elekromagneycznego, wykorzysywanych w budownicwie i geodezji. W rakcie pomiarów należy zawsze pamięać o bezpieczeńswie swoim i innych osób. Należy być zawsze świadomym, jakie mogą być skuki niewłaściwego posługiwania się świałem laserowym emiowanym przez achimer i inne insrumeny sosujące en rodzaj świała do pomiarów. LITERATURA 1. Bryś H.: Geomeria refrakcji aliniomerycznej ze srefowym oddziaływaniem pól emperaury. IV Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy auomayzacji w geodezji inżynieryjnej, Warszawa Bryś H.: Influence of Curren Power Line Elecric Field on Refracion. AVN 119 (2012) Bryś H., Ćmielewski K., Kowalski K.: Mahemaic-physic models of horizonal refracion in engineering and indusrial measuremens of he highes precision. Repors on Geodesy, No. 2 (87), Grabowski R., Kobryń A.: Określanie paramerów Krzywych refrakcyjnych przy pomiarze przemieszczeń pionowych meodą niwelacji rygonomerycznej. IV Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy auomayzacji w geodezji inżynieryjnej, Warszawa hp:// 6. hp:// ( ). 7. hp:// hp:// ( ). hp:// ( ). 10. hp:// 11. Kurałowicz Z., Szczechowski B.: Możliwość zasosowania nowoczesnych echnologii geodezyjnych w budownicwie. Sesja Jubileuszowa 60-lecia Kaedry Geodezji Poliechniki Gdańskiej, Gdańsk Rys. 6. Przykładowy obszar wysępowania zjawiska refrakcji [5] ( przykładowe sanowisko pomiarowe) 12. Kurałowicz Z., Żurowski A.: Zasosowanie geodezyjnych meod badawczych w budownicwie. Inżynieria i Budownicwo 12/

5 13. Leica TPS1200 Insrukcja obsługi hp://gik.wbiis.u.koszalin.pl/docs/ lgik/tps1200_user_pl-popr.pdf 14. Płaek A.: Geodezyjne dalmierze elekromagneyczne i achymery elekroniczne. Część pierwsza: Geodezyjne dalmierze elekromagneyczne do pomiarów erenowych, PPWK, Warszawa PN-EN :2005, Bezpieczeńswo urządzeń laserowych Część 1: Klasyfikacja sprzęu, wymagania i przewodnik użykownika. 16. Tablice Fizyczno-Asronomiczne. Wydawnicwo Adamanan Żurowski A., Dunikowski R., Chmielecki M., Kmiecik J.: Geodezyjne pomiary konrolne orów spusowych pochylni i wyciągów. Inżynieria Morska i Geoechnika, nr 5/