Поверки теодолита - устройство, классификация и принцип действия прибора

Общие сведения

Теодолитом называется геодезическое устройство, которым измеряют горизонтальные и вертикальные углы между линиями и плоскостями различных поверхностей, а при оснащении дальномером — направления и расстояния до предметов. Измерения производятся в угловых градусах и минутах и секундах. До изобретения теодолита существовали приборы, которыми можно было измерять только вертикальные или только горизонтальные углы. Первое упоминание о теодолитусе (что переводится с греческого как theomai смотрю и dolichos — далеко) встречается в трактате по землемерии, написанном изобретателем Леонардом Диггесом в 1571 году.

Сейчас, когда при геодезических и топографических работах широкое распространение получили информационные технологии, теодолиты используют в основном на строительстве жилых зданий и промышленных объектов, в том числе подземных. Прибор применяется:

• перед началом строительства, когда определяется угол уклона рельефа, на котором планируется закладка строения;
• на последующих этапах проверяется правильность проведения работ и соблюдение вертикальности построенных частей объекта.

Современные теодолиты также используются при возведении мостов и колонн, маркшейдерских изысканиях и наблюдении за астрономическими объектами. Приборы, которые используются в разных климатических условиях, в любое время года и при любой погоде по инструкции должны выдерживать температуры от -20 до + 50 °C и относительную влажность до 95%. Высокая точность и производительность теодолитов должна быть обеспечена при длительной эксплуатации в трудных условиях. Желательно, чтобы приборы были лёгкими, с небольшими габаритами и имели высокую надежность.

Разновидности угломерных устройств

В зависимости от цели использования выбирается прибор подходящего класса точности. Теодолиты бывают:

• Высокоточными.
• Точными.
• Техническими.

Высокоточные приборы дают погрешность при измерении до 1″ включительно. Имеют высокую стоимость и используются довольно редко, так как в большинстве случаев, когда требуются измерения теодолитом, в такой высокой точности нет необходимости. У точных устройств ошибка не должна быть выше 10″. Такие приборы наиболее востребованы, их разновидности предлагаются на рынке в самом широком ассортименте. Технические измерители углов применяются при возведении неответственных объектов и имеют погрешность 10″.

Классификация теодолитов по конструктивному устройству:

• механические;
• оптические;
• электронные;
• лазерные;
• кодовые.

Угломерные приборы разделяют в зависимости от конструкции у отсчетного устройства на простые, компенсаторные, повторительные и др. Маркируются теодолиты буквой Т, за которой следуют цифры, указывающие точность прибора, например, Т15 означает, что при измерении этим устройством допустима ошибка 15″.

Цифрами 2 и 3 перед Т обозначают то, что все детали приборов унифицированы, т. е. могут быть использованы в разных моделях. Другие буквы указывают на конструктивные особенности конкретной модели: К — наличие компенсаторов; А — автоколлимационный окуляр; П — прямое изображение. Все устройства, кроме Т60, оснащены электроподсветкой.

Конструктивные особенности

Разновидности теодолитов отличаются друг от друга преимущественно системами отсчета по лимбу. У механических приборов лимб металлический, у оптических — стеклянный, со шкаловым микроскопом или оптическим микрометром для отсчетов. Некоторые конструктивные особенности присущи угломерам, предназначенным для маркшейдерских и астрономических исследований.

Существуют гироскопические теодолиты, конструкция которых включает гироскоп, указывающий направление истинного меридиана при определении азимута направления, что особенно важно в маркшейдерском деле. Принцип действия оптических устройств основан на применении визитной трубы со шкалой, нанесенной на линзы. При исследовании объекта производится ориентирование угла между выбранными горизонтальными или вертикальными точками на объекте исследования. Электронные теодолиты оснащены системой датчиков и жидкокристаллическим дисплеем.

Они самостоятельно определяют угол, который нужно измерить между выбранными точками, и выводят его цифровое значение на дисплей. Оператору легче работать с таким угломером, так как нет необходимости присматриваться к шкале очень внимательно. У лазерных приборов облегчено наведение на объект измерения — лазерный луч высвечивает линию между двумя требуемыми точками. Дальность таких теодолитов средняя, так как лазерный луч распространяется на не слишком большие расстояния.

Устройство прибора

Схема теодолита включает следующие технологические узлы:

• Корпус с отсчетными кругами.
• Подставку с круглым уровнем, необходимым для горизонтирования теодолита.
• Зрительную трубу.
• Винтовые механизмы.
• Цилиндрический уровень.
• Оптический отвес (центрир).
• Отсчетный микроскоп.

Корпус прибора закреплен на подставке-треноге, а его положение регулируется с помощью трех специальных винтов. Главная измерительная часть теодолита — горизонтальный круг, состоящий из лимба и алидады. Лимбом называется шкала прибора, представляющая собой стеклянный круг со скошенным краем. На него по часовой стрелке нанесены оцифрованные деления от 0 до 360º. Алидада является приспособлением для измерения углов в виде специальной оптической системы — отсчетного устройства. Она находится вверху теодолита и соосно соединена с лимбом.

Ось алидады входит в ось вращения (ОВ) лимба, проходящую через отверстие в подставке. Ее колонки являются опорой для ОВ зрительной трубы и ее вертикального круга. Для установки ОВ алидады в отвесную позицию служат два подъемных винта на подставке.

Чтобы исключить перекосы устройства, перед началом использования его настраивают по уровням. В зависимости от конструкции они бывают цилиндрическими или круглыми и представляют собой ампулу цилиндрической или сферической формы с запаянными в нее парами эфира или спирта, образующими пузырек уровня. На стенку уровня наносятся штрихи, точка их симметрии называется нуль-пунктом.

Во время проведения измерений теодолит крепят на штатив становым винтом и с его помощью производят центрирование над вершиной угла. Винты разделяются на закрепительные, которыми неподвижно фиксируют вращающиеся части, и наводящие — с их помощью эти части плавно поворачивают. За удаленным объектом наблюдают через зрительную трубу, кратность увеличения которой варьируется от 15 до 50 раз.

У особо точных устройств, способных работать с наиболее удаленными объектами, кратность самая высокая. Зрительная труба спарена с отсчетным микроскопом, а на ее окуляре находится линза с нестираемой или выгравированной сеткой. По сетке ориентируют прибор при настройке, выставляя точки на объекте по вертикали и горизонтали. Подвижность зрительной трубы позволяет точно нацеливать теодолиты на объект измерения. У разных теодолитов бывают трубы прямого и обратного изображения.

Необходимые поверки

Для правильной работы прибора и достижения требуемой точности измерений перед началом полевых работ выполняется контроль соблюдения необходимых для этого условий — так называемые поверки теодолита. Правильный порядок их проведения необходим для выявления и устранения отклонений во взаиморасположении всех основных осей теодолита, которое называется геометрическими условиями прибора.

Надежность закрепления

Работа с инструментом начинается с приведения в устойчивое положение подставки со штативом и его закрепления на штативы при помощи станового винта. Проверка выполнения этого условия осуществляется путем легких поворотов подставки из стороны в сторону и одновременного наблюдения за какой-либо четко завизированной точкой на местности через перекрестье нитей. Условие считается выполненным, если положение выбранной точки не меняется относительно перекрестия нитей.

Крепление теодолита к штативу должно быть достаточно надежным, но при этом следует не перетягивать становой винт. Тугое вращение винтовых приспособлений приводит к их быстрому изнашиванию и выходу из строя. Перед использованием устройства проверяются и при необходимости затягиваются винты крепления наконечников на ножках штатива и на шарнирах его головки. Подъемные винты закрепляются в устойчивом положении, а люфт между ними и подставкой прибора устраняется.

Настройка уровня

ОВ алидады должна быть перпендикулярна оси цилиндрического уровня на горизонтальном круге. Проверку выполнения этого условия начинают с установки теодолита в рабочее положение и поворота алидады до такого места, в котором цилиндрический уровень находится примерно параллельно обоим подъемным винтовым механизмам. Затем путем вращения винтов пузырек уровня выводится точно в нуль-пункт. Положение пузырька снова проверяется после разворота алидады на 180°. Условие соблюдено в том случае, когда пузырек остается в нуль-пункте.

Если положение пузырька уровня изменилось на одно или больше делений, то производится юстировка с помощью исправительных и подъемных винтов. Винтовыми механизмами уровня пузырек передвигают в направлении нуль-пункта до половины расстояния его смещения, затем доводят его до нуль-пункта подъемными винтами.

Зрительная труба

Правильность измерений обеспечивается только в том случае, когда ОВ этой части теодолита перпендикулярна визирной оси. Для поверки теодолит наводится на определенную фиксированную точку. При соблюдении условия разница отсчетов по горизонтальному кругу между значениями, полученными для левого (Л) и правого (П) положения вертикального круга, должна составлять 180º. Если визирная ось не перпендикулярна ОВ трубы, то отсчеты Л и П будут отличаться от правильного значения на одинаковую величину, которая называется двойной коллимационной ошибкой.

Она рассчитывается по формуле 2с = (Л — П ± 180°) и не должна быть выше двойной точности инструмента. При превышении допустимых значений погрешности производится устранение угла отклонения путем юстировки вертикального штриха нитей сетки с помощью боковых винтов. Сетку перемещают вправо, завинчивая левый и вывинчивая правый винт, влево — наоборот.

Ось вращения алидады должна быть перпендикулярна ОВ зрительной трубы, что обеспечивает вертикальность коллимационной плоскости. Операция поверки начинается с визирования высоко расположенной точки под углом наклона 25—30º вблизи выбранного объекта. Затем труба переводится в горизонтальное положение, а на стене отмечается место, где находится центральная нить сетки.

После этого труба переводится через зенит, визируется на выбранную точку и отмечается ее проекция. Условие считается соблюденным в том случае, когда изображения первой и второй проекции находятся в пределах биссектора (области между двумя штрихами) сетки нитей. Если теодолит не прошел эту поверку, то прибору требуется изменение наклона оси, которое производится в ремонтной мастерской.

Сетка нитей

Вертикальный штрих нитей сетки должен являться перпендикуляром к ОВ зрительной трубы. Поверку осуществляют путем наведения нитей перекрестья на хорошо заметную точку близкого объекта и последующим отслеживанием ее расположения по отношению к вертикальному штриху во время поворотов трубы наводящим винтом.

Условие считается выполненным, если выбранная точка при этом не сдвинулась со штриха. При несоблюдении условия возникает необходимость в юстировке.

Для этого после снятия защитного колпачка сетки нитей и ослабления винтов крепления окуляра его поворачивают до того момента, пока наблюдаемая точка полностью не совместится со штрихом, расположенным вертикально.