Теодолит: поверки, устройство, измерение

Основные части теодолита

Приспособление позволяет с высокой точностью замерять углы в пространстве и работать в горизонтальной или вертикальной плоскости. Как правило, выбирается относительный метод, когда за основу принимается эталонный объект, а по нему уже отсчитывается искомый угол. Измерение таким способом известно с XIX века, но сегодняшние теодолиты — это усовершенствованные приспособления, которых существует несколько разновидностей.

Шкала. Этот элемент, представленный горизонтально или вертикально расположенным кругом, показывает результат. Находится на подставке, имеющей регулировочные винты для управления главными узлами. Измеритель смотрит в окуляр, управляемый винтами, которые позволяют навести окуляр на объект и закрепить его, когда найдена контрольная точка.

Лимб и алидада. Части горизонтального круга, активно использующиеся при измерении горизонтальных углов.

• Лимб — это стационарное стеклянное кольцо с делениями на 360°.
• Алидада — элемент, вращающийся с примыкающей частью прибора и выставляющий отсчет.

Это и есть главные части теодолита. Но снимать показания помогают и другие устройства, с которыми тоже будет полезно познакомиться. Степень горизонтальности установки теодолита контролируется с помощью цилиндрического уровня, а точку отсчета потерять не дает оптический центрир. Отсчеты снимаются по микроскопу, и это финальная стадия работы замерщика.

Разновидности конструкций теодолитов

Теодолит был изобретен сравнительно давно (1875 г.), но вместе с технологическим прогрессом постоянно совершенствуется и его конструкция. В зависимости от конструкции, рассматриваемые измерительные приборы также подразделяются на три вида:

• Лазерные;
• Электронные;
• Оптические.

Лазерные устройства были изобретены самыми последними и считаются самыми прогрессивными. Они вооружены лазерным лучом, который визуально подсвечивает отметку на измеряемом объекте. Оператор устанавливает настройку такого теодолита особым образом, чтобы луч проходил через две точки. В это время устройство само рассчитывает угол наклона, по которому и проходит лазер. Главный минус таких приборов – крайне ограниченная дальность, ведь с увеличением расстояния лазерный луч будет рассеиваться. Основная область применения подобных теодолитов – возведение несущих колонн и постройка мостов.

Электронные приборы оснащены дисплеем на жидких кристаллах и оборудованы системой датчиков. По завершению того, как оператор выставит прибор по точкам, между которых нужно измерить угол, устройство самостоятельно определит наклон и выведет его числовое значение на дисплей. Плюсом таких моделей является улучшенная визуализация измерительных значений, т. к. оператору нет необходимости внимательно всматриваться в шкалу.

Оптические теодолиты были изобретены самыми первыми. Принцип действия их основано на использовании визирной трубки, которая имеет нанесенную на линзу шкалу. По данной шкале и осуществляется ориентирование по размерам угла между несколькими горизонтальными/вертикальными точками измеряемого объекта.

Устройство простейшего теодолита

Хоть простейшими и являются оптические приборы, но работать с ними гораздо сложнее, нежели с электронными или лазерными. Причиной тому является осуществление большей части измерительной работы непосредственно оператором.

Оптический теодолит состоит из:

• Специальной подставки;
• Защитного корпуса;
• Визирной трубы;
• Винтов-регулировщиков наведения;
• Цилиндрического уровня;
• Отвеса (сродни обычному строительному);
• Микроскопа для отчета.

Корпус прибора закрепляется на специальной подставке. В нем установлена визирная трубка, которая совмещена с микроскопом для отчета. Трубка является подвижной и нужна для выцеливания объекта измерения. Прибор также оснащается двумя видами уровней – отвесом и цилиндрическим уровнем. Первый нужен для выставления прямого уровня по вертикали, а второй – по горизонтали.

Трубка визира нужна для осуществления наблюдения за объектом, который находится на некотором расстоянии от устройства. Трубка может давать увеличение в пределах кратности от 15 до 50. Чем выше выдаваемое трубой увеличение, тем точнее прибор. В окуляре трубки вставлена специальная линза, которая оснащена измерительной сеткой. Сетка прочно отрисована на стекле и не стирается даже со временем. В некоторых дорогостоящих приборах она попросту выгравирована.

Эту сетку использует оператор для ориентирования устройства при настройке. Главное ее предназначение – выставление точек на исследуемом предмете по вертикали/горизонтали. Однако, прежде чем приступить к исследованию объекта, оператору необходимо выровнять аппарат с помощью уровня и отвеса. Ведь даже при наличии небольших перекосов в установке прибора можно получить совершенно неточные значения.

Уровни отвечают за правильное положение устройства для производства последующих измерений. Более точными считаются цилиндрические уровни, в бюджетных моделях они круглые. При использовании круглого уровня для правильного выставления аппарата необходимо постараться установить его таким образом, чтобы пузырек воздуха расположился ровно по центру блюдца. При этом необходимо регулировать с помощью винтов длину опор треноги. Большой ошибкой считается пренебрегать такой регулировкой, а вместо этого подкладывать под опоры ненадежные в плане устойчивости предметы (камушки, плитку и т.п.).

Сердцем оптического теодолита является микроскоп. Он имеет большую степень увеличения и оборудован особой делительной сеткой, на которую нанесена шкала. Именно эта шкала указывает градусы с минутами. Более современные и дорогостоящие модели вдобавок еще могут показывать не только минуты, но и секунды. Шкала именуется лимбом. Она определяет точный наклон между двумя нужными точками, которые были установлены с помощью визирной трубки.

Классификация устройств

Теодолиты имеют несколько разновидностей. Это:

1. Оптические теодолиты. Устройства этого типа являются наиболее распространенными. Они точны и надежны для использования в полевых условиях. Теодолиты этого вида пользуются популярностью среди геодезистов. Они имеют ряд преимуществ перед электронными собратьями: не нуждаются в элементах питания для работы и их легко применять. Оптические теодолиты могут выполнять работу в достаточно широком температурном диапазоне, даже при отрицательной температуре. Теодолиты этого вида имеют минимальные возможности. Отчеты выполняются по угломерной шкале. Если инструмент не содержит внутреннюю память, то необходимо будет обзавестись полевым журналом, в который будут заноситься все данные.
2. Лазерные теодолиты тоже не отличаются сложностью эксплуатации. В таком приборе используется лазерный луч, который служит точным указателем. В устройстве объединены функции двух устройств – визира и высокочастотного электронного инструмента для измерений. Прибор оборудован мощным процессором, который выполняет все расчеты и результаты выводит на дисплей устройства. Легкость использования и удобство такого теодолита очевидны.
3. В цифровых теодолитах не применяют вертикальные и горизонтальные круги, содержащие поградусную разметку. Вместо них используются штрих-кодовые диски. Прибор выполняет замеры автоматизированным способом. Конструкция такого прибора содержит запоминающее устройство. Теодолит хранит данные во внутренней памяти. С цифровыми теодолитами не следует работать в условиях сложного климата и при низких температурах, поскольку эти устройства содержат источники питания и ЖК-дисплей.
4. Фототеодолиты и кинотеодолиты относятся к категории инструментов, имеющих специфическое назначение. Конструкция первых объединяет в себе теодолит и фотокамеру, которая определяет топографические координаты. Основное назначение кинотеодолитов – фиксация траектории перемещения объектов как на земле, так и в воздухе.

Смотреть галерею

Порядок выполнения поверок теодолита:

1.Поверка цилиндрического уровня — Ось цилиндрического уровня на оризонтальном круге должна быть перпендикулярна оси вращения теодолита. Теодолит устанавливают на штатив. Алидаду поворачивают таким образом, чтобы ось поверяемого уровня была параллельна двум подъемным винтам. Вращая эти винты в разные стороны, выводят пузырек уровня на середину (в нуль-пункт). Затем алидаду поворачивают на 90о и третьим подъемным винтом устанавливают пузырек уровня на середину. Затем нужно повернуть алидаду на 180ои оценить смещение пузырька уровня от нуль-пункта. Если отклонение больше одного деления, необходимо выполнить юстировку.

Юстировка цилиндрического уровня — исправительными винтами уровня (см. рис.5) переместить пузырек уровня к нуль-пункту на половину отклонения. Исправительные винты вращать при помощи шпильки поочередно в нужном направлении. Другую половину отклонения устранить подъемными винтами. Для проверки правильности юстировки поверку повторить.

2.Поверка визирной оси трубы.

Визирная ось зрительной трубы должна быть перпендикулярна горизонтальной оси вращения трубы. Вертикальную ось теодолита привести в отвесное положение с помощью выверенного уровня(горизонтирование). Выбрать удаленную неподвижную точку на высоте теодолита, и навести трубу теодолита на эту точку. Взять и записать отсчет по горизонтальному кругу. Затем трубу перевести через зенит, снова навести на эту же точку при другом круге, и записать отсчет по горизонтальному кругу. Затем зажать закрепительный винт алидады, ослабить закрепительный винт лимба, повернуть теодолит на 180о и зажать лимб. Далее повторить действия по взятию отсчетов на точку при круге влево и круге право при втором положении лимба. Подсчитать коллимационную погрешность (неперпендикулярность визирной оси зрительной трубы оси ее вращения) по формуле

С=0,25

Повторить определение коллимацинной погрешности С и вычислить ее среднее значение из двух определений. Если это значение превышает по абсолютной величине 1’ , необходимо выполнить юстировку, и затем повторить поверку.

Юстировка коллимационной погрешности — вычисляется отсчет по лимбу, свободный от влияния коллимационной погрешности, по формуле

Ло = L2 – С или По = П2 + С

Алидаду наводящим винтом устанавливают на один из этих отсчетов (в зависимости от того, при каком круге закончили поверку). В зрительной трубе видно, что крест сетки нитей, с наблюдаемой точки сместился на угол С. Необходимо открутить колпачок на зрительной трубе со стороны окуляра, закрывающий крепежные и исправительные винты сетки нитей. Ослабив шпилькой верхний и нижний исправительные винты сетки, вращением боковых исправительных винтов в одну сторону навести крест сетки нитей на цель при верном отсчете. Закрепить сетку, завернуть колпачок.

3. Поверка сетки нитей зрительной трубы — горизонтальная нить сетки нитей должна быть перпендикулярна вертикальной оси теодолита. Вертикальную ось теодолита привести в отвесное положение. Навести зрительную трубу на удаленную неподвижную точку на высоте теодолита. Наводящим винтом алидады крест сетки нитей навести на левый конец горизонтальной нити, а затем плавно переместить к правому концу. Если при этом крест сместился с горизонтальной нити вверх или вниз более чем на 3 ширины этой нити, выполнить юстировку и затем повторить поверку.

Юстировка наклона сетки нитей — нужно открутить колпачок на зрительной трубе со стороны окуляра ослабить отверткой четыре крепежных винта окуляра и повернуть его так, чтобы нить сетки расположилась горизонтально. После юстировки сетки нитей закрепить окуляр и навинтить колпачок.

Билет 15: Полевые работы при теодолитной съемке.

Рекогносцировка – осмотр и обследование местности, по которой прокладывается теодолитный ход. В процессе рекогносцировки намечают положение вершин полигона. После детального изучения снимаемого участка, составляется проект плановой основы, отвечающий следующим требованиям:

· Хорошая взаимная видимость между соседними пунктами основы;

· Пункты основы должны обеспечивать хороший обзор местности для топографической съемки;

· Количество пунктов их взаимное расположение выбирают с таким расчетом, чтобы с этих пунктов можно было снять полностью весь участок съемки. При съемке расстояние от пункта основы до снимаемой точки не должно превышать 100 м;

· Удобство установки инструмента;

· Удобство для линейных измерений;

· Расстояние между соседними пунктами должно быть не более 150 м и не менее 50 м.

· По результатам рекогносцировки составляется схематический план местности.

Погрешность замкнутого теодолитного хода, невязка

В результате несложных расчётов мы получим невязку, которую сравниваем с допустимой. В случае, если значение в допуске, погрешность пропорционально раскидывается в стороны полигона.

Для замкнутого теодолитного хода погрешность определяется по формуле:

Где сумма углов фактическая (измеренная), а — сумма углов теоретическая, то есть которая должна быть по законам геометрии.

Вычисляется теоретическая сумма углов по формуле:

Где n — число измеренных углов.

Допустимая погрешность суммы углов замкнутого теодолитного хода определяется по формуле:

Если фактическая погрешность больше допустимой, ещё раз проверяем записи, если проблема не в этом, берём отсчёты заново. Если погрешность меньше или равна допустимой вычисляем поправку по формуле:

Значение раскидываем на все углы. Если число получается не целое, в одни углы вводим поправки больше чем в другие.

Пошаговая инструкция как пользоваться теодолитом

• 1 шаг. При работе с геодезическим оборудованием, стоит учитывать, что для получений точных результатов измерений необходимо проводить регулярные поверки и юстировки теодолита. Кроме этого требуется делать периодический контроль геометрических параметров, так как результаты работы геодезиста или строителя, порой, не терпят ошибок даже в несколько угловых секунд.
• 2 шаг. Когда оборудование проверено можно приступать к работе с теодолитом. Для начала необходимо закрепить прибор над точкой с известными координатами, используя штатив-треногу и центрир или нитяной отвес. Приняв ее за точку отсчета, с помощью уровней и наводящих винтов отцентрировать прибор. Итогом должно стать абсолютно горизонтальное положение прибора, а также расположение теодолита строго над точкой.
• 3 шаг. С помощью визира необходимо предварительно навестись на цель, а винтами навест сетку нитей на цель наиболее точно. Таким образом определяется центр измеряемого объекта. Данные действия производятся с помощью зрительной трубы, но при недостаточности света можно использовать дополнительно специальное зеркало с подсветкой. После выполнения этой процедуры производится снятие отсчетов вертикального и горизонтального углов с помощью микроскопа теодолита.
• 4 шаг. Для получения высокой достоверности результатов измерений проведение измерений теодолитом рекомендуется повторить несколько раз (приемов). По результатам многократных измерений определяются средние значения вертикальных и горизонтальных углов.

Поверка и юстировка

Перед началом работы большинство измерительных приборов необходимо откалибровать и убедиться, что он работает корректно, а измеряемые геометрические величины не выходят за пределы установленных погрешностей. Такая процедура называется поверкой. Если же после ее завершения обнаруживаются, что аппарат работает некорректно, необходимо произвести юстировку – то есть с помощью винтов или клавиш корректно выставить «нулевые» показатели прибора.

Для корректной работы теодолита, при первой эксплуатации следует убедиться, что:

• Основная вертикаль прибора расположена параллельно колоннообразным опорам и перпендикулярно горизонтальному замерному кругу и алидаде;
• Нити в оптической сетке трубки соответственно совпадают с горизонталью (определяется горизонтальным круговым вращением с фокусом на удаленной точке) и вертикалью (определяется с помощью удаленного отвеса на нитке);
• Визирные оси в объективах трубки совпадают и составляют точный перпендикуляр к горизонтальной оси алидады – то есть если трубку перевернуть на 180 градусов, визирная ось не сместиться ни влево, ни вправо от базового значения;
• Ось, на которой крепится сама трубка, не имеет перекосов по высоте и составляет перпендикуляр с основной вертикальной осью прибора теодолита;
• Горизонтальные оси на обоих объективах должны быть параллельны.

В современных приборах, корпус которых пломбируют, за соблюдение этих показателей отвечает изготовившее устройство предприятие. Если по какому-то из пунктов поверки наблюдаются расхождения, следует обратиться в специализированную мастерскую или к представителю компании-изготовителя.

Про поверки “относительно” кратко, вы можете ознакомиться на видео:

Инструкция по приведению теодолита в рабочее положение

Подготовка теодолита к работе включает в себя три основных этапа: центрирование, горизонтирование и фокусировку.

Центрирование

Нижняя область станового винта оснащена крючком, на который следует подвесить нитяной отвес. Наблюдая за остриём груза отвеса и передвигая ножки штатива, фиксируют прибор с точностью 3–5 см. Так, чтобы расстояние между остриём грузика и центром не превышало 3–5 см. Далее следует вдавить треногу в землю, осуществляя контроль по грузику за нахождением прибора относительно центра.

Последним шагом должно быть ослабевание станового винта штатива. При перемещении трегера пальцами правой руки острие грузика отвеса должно очутиться прямо над центром. Выполнив это, можно затянуть становой винт.

Горизонтирование

Конечная цель этого этапа — добиться, чтобы горизонтальный круг теодолита оказался в горизонтальной плоскости. Ось вращения же должна принять отвесное положение. Теодолит должен быть развернут так, чтобы цилиндрический уровень поворотной линейки расположился вдоль двух подъемных винтов.

Ослабевая или затягивая подъёмные винты, приводят уровневый пузырёк в нулевой пункт. Пузырёк может быть как с левой стороны от середины, так и с правой. От этого зависит, в каком направлении нужно вращать подъёмные винты.

Дальше теодолит разворачивают на 90 градусов. Подключают третий подъёмный винтик. Пузырь приводят к нулевому пункту.

Рассматриваемая схема применима, если алидада горизонтального круга оснащена цилиндрическим уровнем. Некоторые теодолиты при поворотной линейке имеют круглый уровень. При таком раскладе прибор фиксируют в произвольном положении. Начинают поочерёдно вращать три подъёмных винтика, приводя мембранную капсулу к нулевой отметке. Осуществляют контроль качества проделанного горизонтирования.

Выполнив последовательно центрирование и горизонтирование теодолита, можно обнаружить, что ось вращения прибора приняла отвесное положение и проходит через центр геодезического пункта.

Фокусировка

Фокусируют сетку нитей этого геодезического девайса перед самым началом измерительных работ. Вращают диоптрическое кольцо окуляра наблюдательной трубы прибора до того, пока не появится чёткая картина сетки нитей.

Фокусируют шкалу отсчетного механизма путём вращения диоптрического кольца микроскопа, пока не будет наблюдаться чёткая градация шкалы. Проводя фокусировку и последующие измерения, стараются добиться достаточного освещения шкалы, используя зеркало подсветки.

Перед началом замеров проводится установка теодолита в рабочее положение. От того, насколько надежно закреплен прибор, зависит максимальная точность вычислений. Приведение теодолита в рабочее положение заключается в его установке над точкой: центрирование, горизонтирование, а также установка трубы для проведения наблюдений.

Центрирование теодолита служит для совмещения лимба горизонтального круга с линией отвеса, которая проходит через точку расположения прибора. Горизонтирование теодолита приводит оси вращения в отвесное состояние. Плоскость лимба занимает в это время горизонтальное положение.

Первичное горизонтирование делается в процессе установки штатива, а точная регулировка производится винтами с использованием цилиндрического уровня. Однако теодолитом нужно еще уметь пользоваться. Чтобы получить необходимые для этого знания, естественно, было бы неплохо пройти хотя бы начальный обучающий курс, поскольку обращение с таким высокоточным прибором не терпит небрежности.

Для чего нужен горизонтальный круг теодолита

Горизонтальный круг — это одновременно некая условная плоскость, геометрическое поняти, и конкретная деталь конструкции прибора, служащая опорой для подставки зрительной трубы.

Горизонтальный круг служит для определения углов между различными объектами, расположенными вокруг прибора.

При наведении зрительной трубки на определенные точки производится поворот прибора относительно вертикальной оси. Угол поворота фиксируется на шкале, расположенной на горизонтальном круге.

В этом состоит принцип работы теодолита — разница первоначального показания и значения, получившегося после поворота трубки с наведением на другую точку, составляет угловое расстояние между ними, что может послужить основой для многих расчетов.

Это интересно: Как наточить ножницы в домашних условиях

Оптические и электронные теодолиты

В недавнем прошлом такие устройства находились в обиходе геодезистов. Сейчас имеется достаточно аналогов, служащих неплохой заменой таким устройствам. Они бывают оптическими и электронными. Автоматические теодолиты способны самостоятельно снимать показания. Они оснащаются жидкокристаллическим экраном, на нем можно увидеть всю необходимую информацию. Такой прибор отличается максимальной точностью и высокой скоростью работы. Предоставляемая наглядность позволяет легче понять его измерения. Электронные типы таких устройств не содержат запоминающих устройств.

Среди недочетов таких конструкций необходимо выделить подвластность электричеству. В таком случае непременным помощником станет прибор оптического типа. Он не зависит от уровня зарядки аккумулятора.

В момент выбора прибора следует проверить наличие у устройства гарантийного обязательства и подробной инструкции. Стоит внимательно изучить комплектование прибора. Современный рынок располагает большим разнообразием таких устройств, каждое из них имеет свою стоимость.

Выбрав понравившийся прибор, можно не беспокоиться за получение неправильных значений координат и высот изучаемых объектов.

Использование теодолита

Приемов профессионального использования приборов много, и им учат на специальных курсах, здесь же приведем основные из них.

• Установка теодолита. Первым шагом станет нахождение точки отсчета. На местности находим ровную поверхность, по которой центрируем прибор на подставке уровнями и зажимными винтами. В итоге положение прибора должно получиться строго горизонтальным.
• Ловим объект. Визиром отыскиваем цель и точнее наводим винтами измерительную сетку, чтобы установить центр объекта. На это смотрим через окуляр, а если света недостаточно, улучшить ситуацию поможет специальное зеркальце (как в случае с микроскопом). После выставления центра окуляром фиксируется его значение.
• Обработка результатов. Лучше сделать не одно, а несколько измерений. Новый отсчет рекомендуется на известную величину, к примеру, 90°. Если новые измерения отличаются от предыдущих на 90°, то результат можно фиксировать, если нет — производится еще пара подобных измерений с разным отсчетом и вычисляется среднее значение.

Основные узлы теодолита

Несмотря на многообразие таких измерительных устройств, строение теодолита сохраняется прежним:

• визирная труба, которая закреплена между двух вертикальных колонок;
• отсчётные приспособления (выполнены в форме кругов с нанесёнными по периметру измерительными шкалами);
• в механических аппаратах отсчётные устройства имеют штриховую или шкаловую систему;
• оптический отвес (называется «центрир»);
• настроечное приспособление (называется «кремарьера»);
• все перечисленные системы устройства расположены на штативе.

Электронный теодолит

Кремарьера теодолита позволяет решать следующий круг задач:

• жёстко фиксировать положение визирного оптического устройства (это необходимо для точного снятия показаний с лимба);
• измерять дальность до выбранного объекта;
• производить точное визирование на объекты не зависимо от дальности;
• осуществлять регулировку фокусирующей линзы;
• приводить в строго вертикальное положение главную ось всего аппарата;
• способствует получению так называемого «мнимого изображения».

Отсчётные приспособления

Эти приспособления позволяют отсчитывать деления лимба устройства вплоть до разрешённых долей. Они делятся на три категории: штриховые, шкаловые, микрометры. Угловая шкала может быть расположена на окружности. В этом случае её называют угломерным кругом или лимбом. У каждого из них угловая цена деления лимба имеет свою величину. В реальных приборах точность деления изменяется в интервале от одного градуса до пяти угловых минут. Размер лимба (диаметр) определяется конструкцией теодолита. Величина может изменяться от 72 мм до 270 мм.

Отсчётные приспособления

В качестве отсчётного индекса могут использоваться: одиночный штрих, двойной штрих, который носит название бисектор, нулевой штрих, штрих основной шкалы имеющегося лимба.

Уровни

Они необходимы для точной юстировки теодолита относительно его вертикальной направляющей. С их помощью производят замеры углов небольшой величины в вертикальной плоскости. Любой уровень состоит из следующих элементов:

• небольшой стеклянной колбы, внутри которой находится специальная жидкость;
• корпуса, которые предохраняет колбу от механических воздействий.

Они изготавливаются круглые или цилиндрические.

Колбы цилиндрических уровней производят из специального стекла, в состав которого введён молибден. Жидкость внутри колбы является этиловым спиртом. На её поверхность наносят не смываемые штрихи с интервалом в 2 мм. Величина минимального угла наклона в любую сторону, при котором наблюдается смещение пузырька, называется величиной предельной чувствительности.

Круглый уровень

Цилиндрический уровень

На поверхность стекла цилиндрических уровней наносят окружности от цента к краю с таким же интервалом.