Геодезический прибор: теодолит

 

 

 

 

1. Теодолит  и его устройство

2. Типы  теодолитов

3. Уход  за теодолитами

1. Теодолит, его  устройство

Теодолит - это геодезический  прибор, предназначенный для измерения  горизонтальных и вертикальных углов. Происхождение слова "теодолит", по-видимому, связано с греческими словами theomai смотрю, вижу и dolichos - длинный, далеко.

Теодолит имеет следующие  составные части: горизонтальный круг, состоящий из двух самостоятельных  кругов - лимба с нанесенными по краю делениями и алидады, несущей отсчетные устройства; зрительную трубу, вращающуюся в вертикальной плоскости вокруг оси, на одном из концов которой жестко скреплен с ней вертикальный круг для измерения вертикальных углов. Для приведения оси вращения алидады (ось вращения теодолита) в отвесное положение, а плоскости лимба в горизонтальное положение, служит цилиндрический уровень и три подъемных винта.

При измерении углов центр  горизонтального круга теодолита  размещают над вершиной измеряемого  угла с помощью нитяного отвеса или  оптического центрира.

В теодолите имеются закрепительные (зажимные) и микрометренные (наводящие) винты. Закрепительными винтами  скрепляют подвижные части (лимб, алидаду, зрительную трубу) с неподвижными, наводящими винтами, сообщают малое  и плавное вращение закрепленным частям.

Зрительные трубы теодолитов чаще всего бывают астрономические, дающие обратное (перевернутое) изображение. Но в последнее время применяются  земные трубы, которые дают прямое изображение.

При наблюдении предметов  на них наводится вполне определенная точка трубы. Такой точкой является центр сетки нитей, представляющий собою пересечение горизонтальной нити и продолженной вертикальной. Сетка нитей видна в поле зрения трубы и изображена на специальной  сеточной диафрагме, размещенной вблизи переднего фокуса окуляра (рис.1). Сеточная диафрагма представляет собою стеклянную пластинку в металлической оправе.

Рис.1 Cетка нитей

Она может слегка перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлениях исправительными винтами  сетки. Симметрично относительно горизонтальной нити нанесены дальномерные штрихи для  определения расстояний.

Воображаемая прямая, проходящая через оптический центр объектива  и центр сетки нитей, называется визирной осью. Отвесная плоскость, проходящая через визирную ось трубы, называется визирной плоскостью.

К оптическим характеристикам  зрительной трубы относятся: увеличение, поле зрения, относительная яркость  и разрешающая способность, которую  принимают за точность визирования  трубой.

Увеличение зрительной трубы  показывает во сколько раз увеличивается  размер предмета, рассматриваемого в  зрительную трубу, по сравнению с  размером этого же предмета, видимого невооруженным глазом.

Полем зрения трубы называется то пространство, которое видно в  трубу при ее неподвижном положении.

Яркость изображения определяется количеством света, которое падает на глаз в секунду времени на квадратный миллиметр изображения. Такая яркость  называется абсолютной, ее нельзя выразить определенным числом. Поэтому пользуются относительной яркостью, представляющей собой отношение абсолютной яркости  вооруженного зрительной трубой глаза  и невооруженного глаза.

Для приведения осей и плоскостей прибора в отвесное или горизонтальное положение служат уровни, они бывают двух типов: круглые - для предварительной, грубой установки приборов и цилиндрические - для окончательной, точной установки. Цилиндрический уровень представляет собой стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой отшлифована  в виде бочкообразного сосуда, в  продольном сечении представляющего  дугу окружности некоторого радиуса.

Стеклянные сосуды уровней  заполняют эфиром или смесью эфира  со спиртом в подогретом состоянии. Когда наполнитель остынет и  сожмется в объеме, образуется пространство, заполненное парами наполнителя, то есть пузырек. При изменении температуры  пары наполнителя легко переходят  из парообразного состояния в  жидкое и наоборот, отчего размеры  пузырька изменяются. В цилиндрических уровнях добиваются, чтобы длина  пузырька составляла примерно 1/3 длины  трубки при температуре +20° С. Чтобы  можно было судить о перемещении  пузырька, на наружной поверхности  уровня наносятся штрихи. Расстояние между штрихами обычно равно 2 мм. Середина трубки уровня называется нуль-пунктом. На цилиндрическом уровне нуль-пункт обычно не обозначается, а относительно него штрихи наносятся симметрично. Касательная к внутренней поверхности трубки, проходящая через нуль-пункт вдоль длины цилиндрического уровня, называется осью уровня. Когда середина пузырька уровня совпадает с нуль-пунктом, ось уровня занимает горизонтальное положение. При смещении пузырька уровня на одно деление ось уровня наклоняется на некоторый угол, который называется ценой деления уровня. Чем меньше цена деления уровня, тем чувствительнее, точнее уровень.

В качестве отсчетных приспособлений применяются штриховой и шкаловой микроскопы (рис.2), микроскоп-микрометр и оптический микрометр.

В штриховом микроскопе в  середине поля зрения виден штрих, относительно которого осуществляется отсчет по лимбу (рис.2,в). Перед отсчетом по лимбу необходимо определить цену деления лимба. Цена деления лимба составляет 10 угловых минут, т.е. градус разделен на шесть частей. Число минут оценивается на глаз. Точность отсчета составляет 1'.

Рис.2. Поле зрения отсчетных  устройств: штрихового микроскопа с  отсчетами по вертикальному кругу  – 358° 48' , по горизонтальному – 70° 05' (а); шкалового микроскопа с отсчетами: по вертикальному кругу – 1° 11,5', по горизонтальному – 18° 22' (б); по вертикальному кругу – -0° 46,5' по горизонтальному – 95° 47' (в).

В шкаловом микроскопе в  поле зрения видна шкала, размер которой  соответствует цене деления лимба (рис.2,а,б). Для теодолита технической  точности размер шкалы и цена деления  лимба равны 60'. Шкала разделена  на двенадцать частей и цена ее деления  составляет 5 угловых минут. Если перед  числом градусов знака минус нет, отсчет производится по шкале, где перед  цифрами от 0 до 6 знака минус нет, в направлении слева направо (рис.2,а). Если перед числом градусов стоит  знак минус, в этом случае минуты отсчитываются  по шкале вертикального круга, где  перед цифрами от 0 до 6 стоит знак минус в направлении справа налево (рис.2,б). Десятые доли минуты берутся  на глаз с точностью до 30''.

2. Типы теодолитов

Теодолиты различаются по точности, способу отсчитывания по лимбу, по конструкции, назначению и  другим признакам.

По точности теодолиты  делятся на:

• высокоточные, с помощью которых горизонтальный угол измеряется одним полным приемом со средней квадратической погрешностью от ± 0,5" до ± 1";
• точные, позволяющие измерять горизонтальный угол одним приемом со средней квадратической погрешностью от ± 2" до ± 15";
• технические – со средней квадратической погрешностью от ± 20" до ± 60".

Средняя квадратическая погрешность  измерения горизонтального угла указывается в шифре теодолита  цифрами, например, Т2, Т5, Т30. В случае применения зрительной трубы с прямым изображением в шифре теодолита  добавляется буква П, например, 2Т30П  и 4Т30П – теодолиты со средней квадратической погрешностью измерения горизонтального угла ± 30" и с трубой прямого изображения. Цифра 2 и 4 впереди шифра обозначает, что это теодолиты соответственно второго и четвертого поколений, то есть более совершенный, чем теодолит марки Т30.

Теодолит Т5 выпускается  в двух вариантах - с уровнем при  вертикальном круге (шифр Т5) и без  уровня при вертикальном круге, но с  компенсатором (шифр Т5К). Компенсатор  представляет собой линзу или  призму, подвешенную на четырех тонких проволоках. При наклоне оси вращения теодолита (вертикальной оси) в небольших  пределах (1-2') линза, сместившись под  действием силы тяжести, сместит  изображение делений вертикального  круга таким образом, что отсчет по нему будет соответствовать отвесному  положению оси вращения прибора, т.е. автоматически компенсирует наклон этой оси. Поэтому отсчет по вертикальному  кругу при горизонтальном положении  визирной оси будет равным или  близким 0° даже при не строго отвесном положении оси вращения теодолита. Этот отсчет называют местом нуля, и точность его установки компенсатором определяется средней квадратической ошибкой ± 6".

По конструкции теодолиты  делятся на повторительные и простые. У повторительных теодолитов лимб и  алидада имеют раздельное и совместное вращение, что позволяет производить  измерения горизонтальных углов  путем откладывания значения угла на лимбе несколько раз (при измерении  углов способом повторений). У простых  теодолитов цилиндрическая вертикальная ось жестко скреплена с алидадой.

Ниже рассмотрим точный теодолит Т5, технический теодолит Т30 и их модификации, которые обычно используются в инженерно-геодезических работах.

Теодолит Т5 и его модификации (Т5К, 2Т5, 2Т5К, 3Т5КП) относятся к разряду точных, с повторительной системой вертикальной оси и отсчетным приспособлением в виде шкалового микроскопа с ценой деления шкалы 1', позволяющим производить отсчеты с точностью 0,1'(6"). Система отсчитывания односторонняя. Увеличение трубы 27^х, пределы визирования от 2 м до бесконечности, цена деления цилиндрического уровня 30".

а)

б)

Рис.3. Теодолиты: 2Т5К (а), 3Т5КП (б)

В теодолите Т5 при вертикальном круге имеется цилиндрический уровень, в теодолитах Т5К и его модификациях уровня при вертикальном круге нет, его заменяет компенсатор. Если на вертикальном круге теодолита Т5К установить отсчет, равный месту нуля, визирная ось трубы будет горизонтальна, и теодолит можно использовать как  нивелир.

Горизонтальный круг (лимб) может быть скреплен с алидадой или  отсоединен от нее с помощью специальной  защелки повторительного устройства. Когда необходимо повернуть лимб вместе с алидадой, нажимают на клавишу  защелки 5 (рис.3). Для того, чтобы горизонтальный круг оставался неподвижным, его  отсоединяют от алидады нажатием на фиксатор защелки. На подставке зрительной трубы расположены закрепительный и микрометренный винты 3. В верхней  части подставки с вертикальным кругом расположено зеркало для  подсветки оптической системы, передающей изображения делений одной стороны  горизонтального и вертикального  кругов в отсчетный микроскоп. Вращением  диоптрийных колец окуляры микроскопа и трубы устанавливаются по глазу  до отчетливой видимости шкалы микроскопа и сетки нитей трубы.

Все эти теодолиты имеют  оптический центрир. Объектив центрира расположен внутри вертикальной оси, а  окуляр 2 выведен наружу и расположен у одной из подставок зрительной трубы. Для предварительного центрирования  приборов может быть использован  обычный нитяный отвес.

Теодолит Т30 (рис.4) и его модификации (2Т30, 2Т30П, 4Т30П) относятся к разряду технических, с повторительной системой вертикальной оси. Система отсчитывания односторонняя. Увеличение трубы 18^х (Т30) и 20^х (2Т30), пределы визирования от 1,2 м до бесконечности, цена деления цилиндрического уровня 45". Данные теодолиты применяются для прокладывания теодолитных и тахеометрических ходов, плановых и высотных съемок.

Рис.4. Теодолит Т30: 1 – основание; 2 – исправительный винт цилиндрического  уровня; 3, 4 – закрепительный и наводящий  винты алидады; 5 – цилиндрический уровень; 6 – наводящий винт зрительной трубы; 7 – кремальера; 8 – закрепительный винт зрительной трубы; 9 – визир; 10 – окуляр зрительной трубы; 11 – окуляр отсчетного микроскопа; 12 – колонка; 13 – подставка; 14 – закрепительный винт лимба; 15 – подъемный винт

В теодолите Т30 отсчетное  приспособление выполнено в виде штрихового микроскопа, позволяющего брать отсчеты с точностью 1', а  в его модификациях (2Т30П, 4Т30П) - шкалового микроскопа тридцатисекундной точности (см. рис.2,б,в). На зрительной трубе имеется оптический визир 9 (рис.4), в поле зрения которого виден светлый крест. Этот крест совмещается с предметом, который должен попасть в поле зрения зрительной трубы, но изображение предмета может быть размытым (иногда его изображение вообще не будет видно). Для получения четкого изображения предмета необходимо с помощью кремальеры 7 перемещать в трубе специальную фокусирующую линзу до тех пор, пока его изображение не станет четким. Зажимные винты зрительной трубы 8 и алидады горизонтального круга 3 закрепляются, и микрометренными винтами алидады горизонтального круга 4 и зрительной трубы 6 центр сетки нитей наводится на предмет. Отчетливость изображения сетки нитей получают вращением диоптрийного кольца окуляра трубы 10.

В теодолите Т30 подставка 13 жестко скреплена с основанием 1, служащим одновременно донцем футляра, что позволяет закрывать теодолит футляром, не снимая его со штатива. Ось вращения теодолита устанавливается  в отвесное положение с помощью  подъемных винтов 15 и цилиндрического  уровня при алидаде горизонтального  круга 5.

Полая вертикальная ось теодолита  позволяет центрировать прибор над  точкой местности с помощью зрительной трубы. Прибор снабжается окулярными насадками  для зрительной трубы и микроскопа, которые применяют при наблюдении предметов, расположенных относительно горизонта под углом более 45°.

В теодолитах Т30 имеется  только один цилиндрический уровень  при алидаде горизонтального  круга 5, который прикрепляется к  подставке зрительной трубы параллельно  визирной плоскости. Положение уровня изменяется юстировочными (исправительными) винтами 2. При алидаде вертикального  круга уровня нет.

Теодолит по особому заказу может быть укомплектован ориентир-буссолью и уровнем, который прикрепляется  к трубе для нивелирования  горизонтальным визирным лучом. Обычно к зрительной трубе прикрепляют  два визира. При установке уровня на трубе один из визиров должен быть снят.