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Nivellierinstrument

 
     
  Nivellier,geodätisches Instrument zur Bestimmung von Höhenunterschieden nach dem Verfahren des geometrischen Nivellements. Dabei realisieren Nivellierinstrumente den horizontalen Zielstrahl, auf dem das Nivellierprinzip beruht. Optisch-mechanische Nivellierinstrumente bestehen im wesentlichen aus einem Messfernrohr, einer Einrichtung zur Feinhorizontierung der Zielachse (Röhrenlibelle oder Neigungskompensator) und einem Dreifuss als Unterbau. Der Fernrohrträger ist im Dreifuss drehbar gelagert, so dass die Zieloptik horizontal um die Stehachse geschwenkt werden kann. Das Fernrohr kann durch eine Klemmschraube in jeder gewünschten Stellung arretiert und mittels eines Seitenfeintriebes präzise ausgerichtet werden. Mit Hilfe einer Dosenlibelle und der drei Fussschrauben wird die Stehachse lotrecht gestellt. Darüber hinaus können Nivellierinstrumente mit Distanzstrichen und Horizontalkreis sowie einem Planplattenmikrometer (Präzisionsnivelliere) ausgerüstet sein. Wird das Okular des Messfernrohres gegen ein Laserokular mit integriertem Diodenlaser ausgetauscht, so kann der horizontale Zielstrahl mittels Laserlicht sichtbar gemacht werden (aktiver Zielstrahl).


Nivellierinstrumente können nach drei Kriterien (Bauart, Genauigkeit oder Verwendungszweck) klassifiziert werden (Tab.): a) Einteilung nach Bauart: Je nach Art der Horizontiereinrichtung für die Zielachse wird zwischen Libellen- und Kompensatornivellieren unterschieden. Libellennivelliere sind Nivellierinstrumente, deren Zielachse mit Hilfe einer Röhrenlibelle horizontiert wird. Je nach Konstruktion der Fernrohrlagerung unterscheidet man Libellennivelliere mit Kippschraube und Libellennivelliere mit festem Fernrohr. Kompensatornivelliere besitzen an Stelle einer Röhrenlibelle einen in den Strahlengang integrierten Neigungskompensator (Kompensator), der den Zielstrahl selbsttätig horizontiert, nachdem das Instrument durch Einspielen der Dosenlibelle vorhorizontiert wurde. Mit einem Kompensator ausgerüstete Nivelliere werden daher auch als automatische Nivelliere bezeichnet. Die Kompensatoren moderner Nivellierinstrumente bestehen sowohl aus beweglich als auch fest im Strahlengang angeordneten optischen Bauteilen (z.B. Spiegeln, Prismen oder Linsen). Die beweglichen Bauteile sind dabei so an dünnen Drähten aufgehängt oder an starren bzw. federnden Pendeln befestigt, dass sie bei Neigung des Instrumentes der Schwerkraft folgen und rasch eine neue Ruhestellung einnehmen können. Dadurch wird ein horizontal einfallender Zielstrahl so abgelenkt, dass er durch den Horizontalstrich des Strichkreuzes verläuft. Kleine, innerhalb des Arbeitsbereiches des Kompensators liegende Abweichungen der Zielachse von der Horizontalen werden so automatisch ausgeglichen. Das erste Nivellierinstrument mit einer "selbsthorizontierenden Ziellinie" wurde im Jahre 1950 vorgestellt.


Digitalnivelliere basieren konstruktiv auf dem Prinzip der Kompensatornivelliere und können daher auch wie herkömmliche Nivelliere mit optischer Ablesung verwendet werden. Zusätzlich zu den oben genannten optisch-mechanischen Bauteilen verfügen Digitalnivelliere jedoch über einen CCD-Detektor (digitale Kamera) zur Abtastung der nichtbezifferten Teilung einer entsprechend codierten Nivellierlatte. Dies ermöglicht eine objektive und automatisierte Ablesung an der Latte. Hierzu wird der im Fernrohr abgebildete Ausschnitt des Strichcodes auf den CCD-Detektor projiziert, in ein digitales Messsignal umgewandelt und mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen ausgewertet.


Die Höhe des Zielstrahls über dem Lattenaufsetzpunkt wird dabei entweder nach dem Prinzip der Korrelation oder auf der Grundlage eines Bi-Phasencodes, der einem pseudostochastischen Code überlagert ist, bestimmt. Die Auflösung des Messsystems beträgt ca. 0,1 mm. Der Messwert wird digital im Display angezeigt und kann mittels integrierter Speicher- und Rechenmodule registriert und weiterverarbeitet werden. Als Rotationsnivelliere bezeichnet man nach dem Prinzip des geometrischen Nivellements eingesetzte Rotationslaserinstrumente. Diese Rotationslaser bestehen im Prinzip aus einem im sichtbaren oder infraroten (IR) Wellenlängenbereich arbeitenden Diodenlaser, einem Kompensator und einem motorisch angetriebenen, um die Vertikalachse des Instrumentes rotierenden Umlenkprisma. Ist das Prisma in Drehbewegung, so erzeugt der Laserstrahl eine horizontale Bezugsebene, die den waagerechten Zielstrahl eines konventionellen Nivellierinstrumentes ersetzt. Bei Instrumenten mit sichtbarem Laserlicht kann der Schnitt dieser Ebene mit der Nivellierlatte direkt (visuell) beobachtet werden. IR-Laser erfordern dagegen spezielle Sensoren, um den rotierenden Strahl zu detektieren. Obwohl Rotationslaser eher für den stationären Gebrauch konzipiert sind, können sie auch für Liniennivellements genutzt werden.


b) Einteilung nach Genauigkeit: Neben der Bauart ist auch die mit einem Nivellier erreichbare Genauigkeit ein Merkmal zur Klassifizierung der Instrumente. Als Mass für die Genauigkeit dient die Standardabweichung σH eines im Hin- und Rückgang über 1 km Nivellementstrecke gemessenen Höhenunterschiedes. Die Genauigkeit wird dabei im wesentlichen durch die Qualität des Messfernrohres (Fernrohrvergrösserung), die Horizontiergenauigkeit und die Ablesegenauigkeit bestimmt.


c) Einteilung nach Verwendungszweck: Der Verwendungszweck der Nivellierinstrumente orientiert sich an ihrer Messgenauigkeit. Baunivelliere finden z.B. bei einfachen technischen Nivellements auf Baustellen, zur Aufnahme von Längs- oder Querprofilen, bei Flächennivellements und anderen Aufgaben geringer Genauigkeit Verwendung. Ingenieurnivelliere werden u.a. für amtliche Nivellements im Nivellementnetz 3. Ordnung und im Strassen-, Brücken- und Tunnelbau eingesetzt. Präzisionsnivelliere benutzt man im Rahmen geometrischer Nivellements höchster Genauigkeit, z.B. im Nivellementnetz 1. und 2. Ordnung oder zur Überwachung von Staumauern, Brücken und Maschinenfundamenten. Sie sind entweder mit Präzisionslibellen (Libellenangabe 6''-10''/2mm) oder mit Präzisionskompensatoren, die den Zielstrahl auf 0,1''-0,2'' genau horizontieren, ausgerüstet, verfügen über Planplattenmikrometer, eine etwa 40fache Fernrohrvergrösserung und Keilstriche im Strichkreuz.

NivellierinstrumentNivellierinstrument (Tab.): Klassifikation der Nivellierinstrumente.
 
 

 

 

 
 
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