Принцип измерения углов. Теодолиты

Измерение горизонтальных и вертикальных углов на местности выполняют специальными приборами - теодолитами.

Горизонтальный угол - это ортогональная проекция пространственного угла на горизонтальную плоскость.

Вертикальный угол, или угол наклона,- это угол, заключенный между наклонной и горизонтальной линиями.

Принцип измерения горизонтального угла (рис. 23, а) заключается в следующем. В вершине А измеряемого угла ВАС устанавливают теодолит, основной частью которого является круг с делениями. Круг располагают горизонтально, т. е. параллельно уровенной поверхности, а его центр совмещают с точкой А. Проекции направлении АВ и АС, угол между которыми измеряют, пересекут шкалу круга по отсчетам (делениям) b и с. Разность этих отсчетов дает искомый угол .

Рисунок 23 - Горизонтальный (а), вертикальный (б) углы и принципиальная схема устройства теодолита (в):
1 - винт, 2, 5 - подставка, 3, 7 - лимбы, 4, 6 - алидады, 8 - зрительная труба, 9 - уровень, 10, 11 - ось

Вертикальный угол измеряют по вертикальному кругу (рис. 23, б) аналогичным образом, но одним из направлений служит фиксированная горизонтальная линия. Из рисунка видно, что если наблюдаемая точка расположена выше горизонта, вертикальный угол (ν) положителен, если ниже - отрицателен (- ν).

На этом принципе основано устройство теодолитов (рис. 23, в). Прибор состоит из подставки, которую устанавливают на три подъемных винта 1. В отверстие подставки 2 входит ось вращения лимба 3, в которую, в свою очередь, входит ось алидады 4. Лимб - рабочая мера теодолита - представляет круг с делениями. Алидада - часть прибора, расположенная соосно с лимбом, на которой имеются элементы отсчетного устройства и две колонки, несущие ось вращения НН зрительной трубы 8 вертикального круга. На защитном корпусе алидады укреплен цилиндрический уровень 9. Зрительная труба теодолита представляет собой визирное устройство, содержащее объектив, окуляр и сетку нитей. Уровень служит для приведения в определенное положение прибора в целом и отдельных узлов относительно отвесной линии. К основным частям теодолитов относятся наводящее и закрепительное устройства, служащие для наведения зрительной трубы на визирную цепь и закрепления подвижной части прибора в заданном направлении.

Для получения с помощью теодолита неискаженного значения результатов его геометрические элементы должны быть соответственным образом ориентированы относительно друг друга. Геометрические условия (рис. 24) теодолита записывают так: HH ⊥ VV, PP ⊥ HH, HH ⊥ BB, UU ⊥ LL, L’L’ ⊥ VV, LL ⊥ HH, где VV и FF - вертикальная ось прибора и плоскость горизонтального круга, НН - горизонтальная ось трубы, РР - визирная ось трубы, ВВ - плоскость вертикального круга, LL, UU и L’L’ - оси накладного

Рисунок 24 - Геометрическое условие теодолита: оси РР перпендикулярны плоскости рисунка, остальные оси взаимно перпендикулярны, углы равны 90°

уровня и уровней на горизонтальном и вертикальном кругах, RR - оси подъемных винтов, KK’K’’ - визирная ось оптического отвеса.

Выяснение в полевых условиях сохранности взаимного расположения частей теодолитов называют поверками.

Отечественная промышленность выпускает теодолиты, измерения которыми выполняют с погрешностью 0,5...30’’. Максимальная погрешность указывается в марке прибора, например, 3Т30-30’’, 3Т5КП-5’’ и т. д.

Рассмотрим устройство наиболее часто применяемых теодолитов. Особый интерес представляют теодолиты серии ЗТ - высокопроизводительные, удобные в работе, многофункциональные угломерные приборы, эксплуатация которых возможна в пределах температур + 50°С...-40°С.

В строительстве, изыскательских работах, при монтаже машин, оборудования, конструкций чаще всего применяют теодолиты типа 3Т5КП (рис. 25). Как правило, теодолиты укомплектовывают принадлежностями, существенно расширяющими область их применения. К стандартной комплектации относятся: буссоль; линзовая насадка на объектив; окулярная насадка на зрительную трубу и отсчетный микроскоп; электроосвещение отсчетных шкал, требующееся при работе в шахтах, ночью; визирная вешка, устанавливаемая в ручку для переноски теодолита; штатив.

Теодолит 3Т5КП имеет полую цилиндрическую систему осей вращения горизонтального круга. На прижимной к штативу пластине 1 на трех подъемных винтах 2 в трегере 20 винтом 3 фиксируют верхнюю часть прибора. Отсчетные шкалы горизонтального круга закрыты кожухом 22, на котором укреплены стойки 6. На одной из стоек укреплена шкала для снятия отсчетов по вертикальному кругу 21. Центрирование теодолита осуществляют встроенным в алидадную часть 22 оптическим центриром 5. Отсчеты по шкалам вертикального и горизонтального кругов, проходя через систему преломляющих призм, сводятся в микроскоп 15. Цена деления лимба 1°.

Рисунок 25 - Теодолит 3Т5КП в рабочем состоянии с буссолью (а - г) в различных ракурсах:
1 - прижимная пластина, 2 - подъемные винты, 3, 11, 12, 14 - зажимные винты, 4 - винт установки отсчета, 5 - окуляр центрира, 6 - стойка, 7 - объектив трубы, 8 - ручка для переноски, 9 - отверстие для установки вехи, 10 - зеркало подсветки, 13 - винт совмещения шкалы вертикального круга, 15 - микроскоп, 16 - уровень, 17 - электроосветительное устройство, 18 - электрокабель, 19 - защелка, 20 - подставка, 21, 22 - вертикальный и горизонтальный круги

Рисунок 26 - Поле зрения отсчетного микроскопа теодолита 3Т5К: отсчет по горизонтальному Г кругу 174°55,2’, по вертикальному В - 2°04,3’

В поле зрения микроскопа (рис. 26) видны более мелкие деления шкалы - минуты. Отсчет определяют по штриху лимба на отсчетной. шкале, например, отсчет по горизонтальному кругу Г равен 174°55,2’, по вертикальному В - 2°04,3’. Если штрих совпадает с целым делением, десятые доли самого мелкого деления определяют "на глаз". В данном случае это будут десятые доли минуты.

Вертикальный круг теодолита жестко скреплен со зрительной трубой, а с алидадой вертикального круга - цилидрический уровень. Наличие уровня на алидаде вертикального круга позволяет устанавливать ее начальные штрихи горизонтально. В теодолите 3Т5К уровня при вертикальном круге нет, его роль выполняет оптический компенсатор. Индекс компенсатора занимает горизонтальное положение, и при измерении вертикальных углов показания отсчитывают по шкале без дополнительных действий.

Теодолит 3Т30 (рис. 27, а) отличается от теодолита ЗТ5КП тем, что в его отсчетном устройстве нет шкалы. Цена деления лимба 10’.

Рисунок 27 - Теодолит 3Т30 (а), окулярная насадка (б), ориентир-буссоль (в) и поле зрения трубы (г):
1, 9, 11, 13, 15, 16, 17 - винты, 2 - подставка, 3, 4 - окуляры, 5 - вертикальный крут, 6 - ориентир-буссоль, 7 - визир, 8 - зрительная труба, 10 - колонка, 14 - уровень, 18 - основание, 19, 20 - призмы, 21 - обойма, 22 - корпус, 23 - зеркало, 24 - магнитная стрелка

Рисунок 28 - Поле зрения отсчетного микроскопа теодолита 3Т30:
1 - отсчетный штрих

Отсчеты по кругам выполняют по вертикальному отсчетному штриху 1 (рис.128). Минуты определяют "на глаз" (70°05’ - по горизонтальному кругу, 358°48’ - по вертикальному). Зрительная труба 8 (см. рис. 27, а),теодолита 3Т30 может использоваться для центрирования над точкой, для чего используют окулярную насадку и полую вертикальную ось. Эту же насадку используют для визирования вертикально вверх. Фокусировку трубы производят винтом-кремальерой 11. Резкость изображения сетки регулируют в соответствии со зрением наблюдателя вращением кольца окуляра 3. У наблюдателя должно быть зрение + 5 диоптрий, в ином случае ему необходимо работать не снимая очков. Зрительную трубу наводят, поворачивая трубу в горизонтальной плоскости при отпущенном зажимном винте 15. Его закрепляют при подведении трубы к цели, а наводящим винтом 16 точно вводят в биссектор (пространство, ограниченное двумя вертикальными нитями сетки поля зрения трубы). Зрительную трубу наводят на цель в вертикальной плоскости наводящим винтом 12, при этом закрепительный винт 9 при точной подводке зажимают. Для наведения зрительной трубы вместе с лимбом и алидадой служит закрепительный винт 17 и наводящий винт, который расположен на подставке теодолита. На зрительной трубе установлен оптический визир 7, с помощью которого трубу "на глаз" наводят на предмет. Рядом с окуляром зрительной трубы находится окуляр 4 отсчетного микроскопа.

Теодолит имеет стеклянный круг с делениями от 0 до 360°. Каждое градусное деление оцифровано. Вертикальную ось прибора устанавливают в отвесное положение по цилиндрическому уровню 14. Уровень имеет юстировочные винты 15. Подставка 2 теодолита несъемная, жестко скреплена с основанием 18, служащим одновременно дном футляра. Ход подъемных винтов 1 подставки регулируется, что дает возможность устанавливать плавный ход.

Окулярные насадки надевают на окуляры зрительной трубы и отсчетного микроскопа.

Окулярная насадка (см. рис. 27, б) представляет собой призму 19, изменяющую направление визирной оси на 90°. Призма заключена в оправу 20, которая, в свою очередь, помещена в обойму 21. Оправа с призмой свободно вращается в обойме. На боковой крышке теодолита есть посадочный паз для установки ориентир-буссоли 6.

Ориентир-буссоль (рис. 27, в) помещена в металлический корпус 22 с крышкой, в которую для удобства наблюдений вмонтировано зеркало. В корпусе нанесены два индекса и помещена магнитная стрелка 24. Для уравновешивания магнитной стрелки на ее южный конец надет грузик, который можно перемещать вдоль стрелки. Ориентир-буссоль крепится к теодолиту таким образом, чтобы линия, проходящая через индексы, была параллельна визирной оси трубы. Перед работой стрелку буссоли, находящуюся постоянно в закрепленном положении, опускают (разарретируют) для свободного вращения в горизонтальной плоскости.

Трубу теодолита 3Т30 можно при необходимости располагать горизонтально. Для этого на трубу устанавливают уровень: трубу перемещают примерно горизонтально, снимают визир, а на его месте закрепляют уровень.

Теодолитом 3Т30 можно не сходя с одного места визировать зрительной трубой, снимать отсчеты по обоим кругам, наблюдать за установкой уровней. Это особенно важно при работе на неустойчивом грунте. Ряд других теодолитов (в том числе зарубежных) имеют аналогичное устройство.

В настоящее время для автоматизации процесса измерения углов выпускают кодовые теодолиты. В кодовых теодолитах на лимбах вместо штрихов располагаются кодовые дорожки (диски), дающие возможность на основе сочетания прозрачных и непрозрачных полос получать при пропускании через них света лишь два сигнала: "темно - светло". В этом случае значение каждого наблюдаемого направления получается как сочетание двух таких сигналов. Тем самым в основу кода кладется двоичная система счисления, как в ЭВМ.

При работе с кодовым теодолитом в обязанность наблюдателя входит лишь наведение трубы на цель. Считывание отсчета по лимбу и последующая обработка выполняются автоматически, что ускоряет и упрощает процесс угловых измерений. Кодовые теодолиты выпускают различной точности, характеризуемой ошибкой измерения угла 1...5’’. Первым отечественным кодовым теодолитом является ТТ11, созданный на базе теодолита 2Т2.

Теодолит, особенно кодовый, является сложным и дорогостоящим прибором, требующим умелого и бережного обращения с ним. Поэтому до начала работы вновь осваеваемым теодолитом необходимо воспользоваться инструкцией, имеющейся у каждого экземпляра теодолита. Следует помнить, что все оптические, винтовые и другие части теодолитов после небрежного отношения и поломки в основном не восстанавливаются.