Přes moderní a atraktivní metody měření zůstává přesná nivelace nejpřesnější metodou určování výšek, resp. jejich časových změn. K dosažení věrohodných výsledků nivelace je však nutná přesná kalibrace invarových nivelačních latí. V současnosti jsou užívány nové digitální nivelační přístroje s latěmi s kódovým dělením. S ohledem na tento specifický způsob laťového dělení (barcode - dělení) je nutno dosavadní, tradiční délkové komparátory pro čárkové dělení latí přebudovat. Na Fakultě stavitelství a geodezie v Lublani byly dlouhá léta kalibrovány latě s čárkovým dělením na komparátoru Zeiss. O jeho přebudování je pojednáno v následujícím článku.

Přestavba Zeissova délkového komparátoru

Komparátor je masivní opticko-mechanický přístroj, který byl původně užíván ke komparaci délkových měřidel maximální délky 3 m. Celkem existují čtyři takové komparátory, z nichž jeden je v Lublani. Komparátoru bylo užíváno pro komparaci invarových pásků nivelačních latí nebo měřických pásem. Práce byla obtížná a časově náročná a byly měřeny dílčí rysky pro každý decimetr. Přesnost z převážné části závisela na zkušenostech pozorovatele a na počtu opakování.

Za den dva měřiči mohli zkalibrovat jeden pár latí. Po zavedení kódových dělení byla pozvána společnost RLS Merilna technika (měřická technika), aby se zabývala přestavbou komparátoru. Komparátor pak dostal novou formu a zejména pak i nový obsah. Pro kvalitu komparace má velký význam opracování vodících ploch. Tyto plochy musí odpovídat přísným tolerancím s ohledem na rovinnost. Korpus starého komparátoru byl použit jako jednolitý podklad, který se stal nosnou částí inovovaného komparátoru. Je mechanicky přesně opracovaný a horizontovaný a v původní verzi byl nosičem optických a mechanických částí pro optický způsob měření. Na tento podklad je nyní postaven nový délkový etalon a osazen nový měřický vozík.

Základem měřického vozíku je aluminiová deska s kuličkovými ložisky, která dovolují posunovat vozík po podkladovém korpusu. Optická část měřícího systému sestává především ze standardní CCD kamery a telecentrického objektivu. Rovnoběžnost optické osy telemetrického objektivu a osy pohybu vozíku zabezpečuje speciální hranol. Na horní části desky jsou namontovány pohonné části a kabelové svazky. Na spodní straně desky je připevněn nosič čtecí hlavy a osvětlovací hlava kalibrovaného měřidla i etalonu. Nový délkový etalon (Optical Encoder System firmy Renishaw) je tvořen samolepícím měřícím páskem, přímo nalepeným na podklad a odečítaným čtecí hlavou s rozlišením 1 mm. Pro umístění nivelační latě je podklad vybaven nosnou konzolou a zařízením pro stranové ustavení polohy latě. Dorazná plocha pro patu latě je doplněna malým kouskem čárkového dělení, jehož dílky jsou měřeny CCD kamerou, a tak je možno přesně určit odstup k patě latě. S pomocí tohoto dělení lze určit nulový bod latě s vysokou přesností v systému Barcode dělení.

Další součástí měřícího systému je PC. Ten kontroluje průběh měření a zabezpečuje vyhodnocení měřených hodnot. Na něm je instalován dodatkový hardware a software a to:

• E/A řadící karta ke spuštění a zastavení motoru, pro výběr směru pohybu,
• řadící karta pro přenos polohy měřícího vozíku do datové paměti,
• řadící karta pro shromažďování videosignálů,
• software k shromáždění měřených hodnot a k výpočtu požadovaných výsledků.

Průběh měření

Během pohybu přes kalibrované měřidlo (lať), se vozík zastaví každých 9 mm, což je o něco méně než výška zorného pole kamery. V klidové poloze snímá kamera dílčí obraz. Poloha čtecí hlavy je současně určena na etalonovém pásku. Mezi dvěma dílčími snímky se pohybuje měřící vozík rychlostí asi 1 cm/s. Software zpracuje dílčí snímek a díky známé poloze umístí výsledky do posloupnosti snímaných dílků. Snímání celého dělení nivelační latě délky 3 m trvá asi 10 min.

V dalším je prováděno zpracování dílčích snímků rozkladem na 750 x 570 pixelů, sloužících v prvé řadě k vyrovnání nerovnoměrného osvětlení. Při přesně známém zvětšení a s uvážením polohy kamery při dílčím snímku jsou v následujícím kroku pixelové souřadnice převedeny do souřadnicového systému měřicího zařízení. Uložené snímky pak obsahují údaje o konturách jednotlivých značek dělení podél celé latě. Program umožňuje jejich zobrazení na obrazovku v libovolném zvětšení a nabízí prostředky k vyhodnocení kontur. Následuje pak zpracování vzájemných vztahů mezi značkami dělení v dílčích oknech obrazovky. Pro odvození průměrných hodnot je užito regresní přímky, proložené řadou pozorování. Vyhodnocovací program umožňuje předprogramování průběhu měření s uvážením specifik dělení latí různých výrobců. Výsledky měření jsou zkopírovány na paměťové médium, a to v jednotné formě pro případné další analýzy.

Kalibrace komparátoru

Po zakončení montáže a přezkoušení jeho funkcí byl komparátor kalibrován ve zplnomocněné laboratoři v Ravne. Postup zahrnoval kalibraci měřícího systému Renishaw a systému kamery. Výzkum byl proveden laserovým interferometrem a ocelovým etalonem s ryskovým dělením podle standardního postupu. Délkový etalon byl přezkoušen Slovinským úřadem pro standardizaci a metrologii. V konečném procesu získal posléze komparátor osvědčení o kalibraci. Doplňkově bylo provedeno ještě kalibrační měření laserovým interferometrem na TU Mnichov. Obě kontrolní měření (kalibrace) vykazují prakticky stejný lineární trend. Regresní koeficienty se odlišují o 0,5 mikrometru na 1 m délky. Korektury metru komparátoru, odvozené oběma kontrolami, dosahují hodnoty +2 ppm.

Další zpracování měřených údajů přesných nivelačních latí

Měřící a zpracovatelský program dovoluje shromáždění a zpracování celého dělení nivelační latě do délky 3 m, včetně systému určení laťového počátku (nuly latě). Určení průměrné hodnoty laťového metru a nuly latě vyžaduje zpracování dvou různých postupů. Při odvození střední délky laťového metru je nutno vzít v úvahu polohu všech značek dělení. To znamená např. 597 měření latě s půlcentimetrovým čárkovým dělením, 339 měření pro kódované latě Leica GPCL3 a 265 měření pro kódované latě Zeiss LD3. Při zpracování je třeba určit vzdálenosti středů jednotlivých čárek od výchozí značky u paty latě. Rozestup je vyjádřen v milimetrech, udávaná přesnost je 1 mikrometr. Data jsou pak zpracována výpočetním programem s uvážením oprav z vlivu teploty. Opravy jsou určeny z rozdílů mezi aktuální teplotou latě a komparátoru a temperační teplotou laboratoře (200° C). Redukované měřené hodnoty jsou porovnány s nominálními hodnotami laťového dělení. Z odchylek jsou vypočteny prvky regresní přímky podle MNČ. Její koeficient určuje opravu střední hodnoty laťového metru. Přesnost měřené a hledané hodnoty je odvozena na základě měřických oprav a kovarianční matice neznámých.

Oprava z nulového bodu latě je druhou laťovou konstantou. Udává, o kolik se odstup definované čárky od paty latě odchyluje od požadované hodnoty. Měření spočívá v měření devíti čárek invarového pásku na laťovém nástavci a prvních osmi čárek dělení kódované latě. Na základě dvojího porovnání je vyšetřena střední hodnota vzdálenosti od paty latě a srovnáním s požadovanou hodnotou určena oprava nuly latě. Nadbytečná měření dovolují odhad přesnosti měření a hledané opravy. Kalibrace latě je zakončena sepsáním protokolu s nejdůležitějšími údaji v numerické a grafické formě.

Závěr

Přebudovaný původní komparátor Zeiss nyní dovoluje určení laťových oprav nivelačních latí libovolného kódového dělení. Postup měření je rychlý a spolehlivý. Komparátor je certifikován a jeho kvalita nezávisle ověřena. Na základě dobrých výsledků se zapojí Lublaňská fakulta do mezinárodně propojeného systému komparátorů univerzit v Bonnu, Darmstadtu, Grazu, Mnichově a Curychu. Porovnání s těmito komparátory bude uskutečněno na řadě vybraných nivelačních latí TU Mnichov za stejných měřických podmínek.

vyvěšeno: 8. července 2002

---

Z časopisu Zeměměřič č. 6+7/2002