3.2.4. Зорові труби

Будова зорової труби. Для візування на віддалені спостережувані предмети в геодезичних приладах використовують зорові труби. Більшість із них дають обернене зображення і належать до типу астрономічних. У деяких теодолітах використовуються труби, які забезпечують пряме зображення. Перед спостереженням зорова труба повинна бути відрегульована так, щоби в полі зору труби чітко було видно зображення візирної цілі. Така установка зорової труби називається її фокусуванням. За характером фокусування розрізняють труби з зовнішнім і внутрішнім фокусуванням.

У сучасних геодезичних приладах використовують труби з внутрішнім фокусуванням, які мають постійну довжину. Конструкція таких труб забезпечує більше збільшення при менший довжині у порівнянні з трубами із зовнішнім фокусуванням, а також захищає трубу від проникання до неї пилу і вологи.

Оптична система зорової труби з внутрішнім фокусуванням (рис. 21) складається з об’єктива 1, окуляра 2, внутрішньої фокусувальної лінзи 3, яка переміщується всередині труби обертанням кремальєри 4 (кремальєрного гвинта або кільця) і сітки ниток 5.

Сумісна дія об’єктива і фокусувальної лінзи тотожна дії однієї збираної лінзи зі змінною фокусною відстанню, яка має назву телеоб’єктива. Принципово оптична схема труби з телеоб’єктивом (рис. 21, б) не відрізняється від схеми простої зорової труби (труби Кеплера) із зовнішнім фокусуванням, але має більш досконалу конструкцію.

Предмет АВ, розташований за подвійною фокусною відстанню, розглядається через об’єктив 1 (рис. 21, б). Його зображення аb, отримане за допомогою телеоб’єктива, буде дійсним, оберненим і зменшеним. Вказане зображення збільшується окуляром 2, у результаті цього ми отримаємо уявне і збільшене зображення а^'b^' спостережуваного предмета.

Рис. 21. Зорова труба

а – повздовжній розріз; б – хід променів у зоровій трубі

Зображення предмета, отримане простою зоровою трубою, супроводжується оптичними спотвореннями, основними з яких є сферична і хроматична аберації. Сферична аберація викликана тим, що промені світла (особливо ті, що падають на краї лінзи) після переломлення не перетинаються в одній точці і дають тим самим нечітке і розпливчасте зображення. Хроматична аберація полягає в тому, що промені світла після заломлення в лінзі розподіляються на складові кольору радуги і забарвлюють краї зображень. Для послаблення впливу оптичних спотворень у зорових трубах використовують діафрагми, які затримують проходження крайніх променів світла, а також складні об’єктиви й окуляри, які складаються з 2-3 лінз із більш різною кривизною і різними коефіцієнтами переломлення скла.

Сітка ниток. Встановлення зорової труби для спостереження. Для візування на спостережувані цілі в зоровій трубі повинна бути постійна точка К – дійсна або уявна між паралельними лініями. Для отримання цієї точки в окулярному коліні поблизу переднього фокуса окуляра розміщується металева оправа, в який встановлена скляна пластинка з нанесеною на неї сіткою ниток (рис. 22, а). Види сіток ниток, які застосовуються в сучасних теодолітах, зображені на рис. 22, б, в.

Сітка ниток являє собою систему штрихів, розташованих у площині зображення, яке передається об’єктивом зорової труби. Основні штрихи сітки використовуються для наведення труби в горизонтальної і вертикальної площинах. Подвійний вертикальний штрих називається бісектором ниток. Візування на спостережувану ціль бісектором здійснюється точніше, ніж однією ниткою. Точка перетинання основних штрихів сітки ниток називається перетинанням сітки ниток.

Уявна лінія, яка з’єднує перетинання сітки ниток і оптичний центрир об’єктива, називається візирною віссю труби, а її продовження до спостережуваної цілі – лінією візування. Лінія, яка проходить через оптичні центри об’єктива і окуляра, називається оптичною віссю труби. Зорова труба має також геометричну вісь, тобто лінію симетрії труби, яка проходить через центри поперечних перерізів циліндра труби.

Для правильної установки сітки ниток її оправа забезпечена виправними гвинтами 1: двома горизонтальними і двома вертикальними (рис. 22, а), які закриваються ковпачком. За допомогою кожної з пар виправних гвинтів сітку ниток можна переміщувати в невеликих межах в горизонтальній і вертикальній площинах, змінюючи тим самим положення візирної осі зорової труби.

Рис. 22. Сітка ниток зорової труби:

а – схема закріплення оправи сітки ниток; б – сітка теодолітів Т15, Т5, Т 30 і Т60; в – сітка теодолітів Т15М і Т30М

При візуванні на ціль спостерігач повинен чітко бачити в полі зору труби штрихи сітки ниток і зображення спостережуваного предмета. Для виконання цієї умови повинні бути виконані дії, які складають установку зорової труби для спостереження. Повна установка труби для спостереження складається з установки на око і по предмету.

Установка труби на око здійснюється переміщенням діоптрійного кільця до отримання чіткої видимості штрихів сітки ниток. Вона виконується кожним спостерегачем відповідно до гостроти його зору і періодично перевіряється.

Установка труби по предмету (фокусування) для отримання чіткого зображення візирної цілі здійснюється переміщенням фокусувальної лінзи за допомогою кремальєрного гвинта або кільця. При спостереженні предметів, розташованих на різних відстанях від приладу, фокусування необхідно здійснювати кожний раз наново. Перехрестя сітки ниток не повинно сходити зі зображення спостережуваної цілі при переміщенні ока відносно окуляра. У протилежному випадку має місце явище, яке називається паралаксом сітки ниток, що виникає при недостатньо ретельному фокусуванні труби внаслідок розбіжності зображення предмета з площиною сітки ниток. Паралакс усувається невеликим поворотом кремальєри, що сприяє підвищенню точності візування.

Технічні показники зорових труб. Оцінка якості зорових труб здійснюється по ряду технічних показників, до основних з яких належать збільшення труби, поле зору труби і яскравість зображення.

Видимим, або кутовим, збільшенням зорової труби Г називається відношення кута β (рис. 21, б), під яким зображення розглядуваного предмета видно в трубу, до кута α, під яким предмет видно неозброєним оком, тобто

.

Практично збільшення зорової труби можна вважати таким, що дорівнює відношенню фокусних відстаней об’єктива і окуляра:

.

Збільшення зорової труби можна визначити по вертикальній рейці, встановленої в 5-10 м від приладу (рис. 23, а). На рейку дивляться одночасно двома очима: одним – безпосередньо на рейку, іншим – через трубу. При цьому два видимих зображення рейки проектуються одне на одне. Потім підраховують, скільки поділок рейки, видимих неозброєним оком, проектується на одно збільшену поділку, видиму через трубу. Це число і буде збільшенням зорової труби.

Рис. 23. Схеми дослідження зорової труби за допомогою рейок

Приймаючи похибку візування неозброєним оком такою, що дорівнює 60^″, і знаючи збільшення зорової труби Г, можна знайти межову похибку візування при спостереженні в зорову трубу:

.

Для отримання більшого збільшення в зорових трубах геодезичних приладів використовують довго фокусні об’єктиви і короткофокусні окуляри. Збільшення зорових труб, які використовуються в інженерній практиці, знаходяться в межах 15-30^х, а у високоточних приладах – до 40^х.

Полем зору зорової труби називається конічний простір, яке видиме оком через нерухомо встановлену трубу. Воно вимірюється (рис. 23, б) кутом φ між промінями, які йдуть із оптичного центру об’єктива до країв а і b діафрагми. Величина кута поля зору труби визначається за формулою

,

тобто кут поля зору обернено пропорційний збільшенню труби і не залежить від розмірів об’єктива. Ці обставини обмежують застосування в геодезичних приладах труб із більшим збільшенням, оскільки ними тяжко відшукувати візирні цілі. Тому на трубах із більшим збільшенням часто встановлюють додаткову трубу-пошукач із малим збільшенням, але більшим полем зору.

На практиці для визначення кута поля зору труби на відстані D (рис. 23, б) від об’єктива встановлюють рейку і відраховують за нею кількість поділок l, видимих у трубу між краями поля зору. Тоді

.

Зорові труби геодезичних приладів мають кути поля зору від 30^' до 2^°.

Яскравість зображення або ступінь освітленості характеризується кількістю світла, отримане оком в одну секунду, на кожний квадратний міліметр видимого зображення. Відносна яскравість зображення І, яка визначається відношенням яскравості зображення при спостереженні неозброєним оком Е_о і з допомогою зорової труби Е₁, може бути знайдена з виразу

,

де τ – коефіцієнт перепуску системи, яка враховує втрати світлового потоку на відбиття при переломленні променів на полірованих поверхнях і поглинання при їх проходженні через оптичні деталі; D_вх – діаметр вхідного отвору об’єктива; d_гл – діаметр зіниці ока.

Для спостережень (особливо в підземних гірських виробках в умовах слабкої освітленості) вигідно застосовувати труби з більшим діаметром вхідного отвору і невеликим збільшенням. Однак збільшення діаметра вхідного отвору об’єктива веде до збільшення впливу хроматичної аберації, а зменшення збільшення – до зниження роздільної здатності труби і точності візування.

Застосування просвітленої оптики в сучасних геодезичних приладах зводить до мінімуму втрати яскравості зображення при проходженні променів через оптичну систему труби.

3.2.5. Рівні

Рівні служать для приведення осей і плоскостей геодезичних приладів у горизонтальне або вертикальне положення. В точних приладах за допомогою накладних рівнів мають незначні (порядку декількох секунд) кути нахилу осей. Рівні застосовуються також у вигляді самостійних приладів при монтажі технологічного обладнання і в будівельній справі. За формою розрізняють циліндричні й круглі (сферичні) рівні.

Циліндричний рівень. Циліндричний рівень (рис. 24, а) являє собою скляну трубку (ампулу), внутрішня поверхня якої у вертикальному повздовжньому перерізі має вигляд дуги АВ кола радіусом від 3,5 до 200 м. При виготовленні рівня ампулу заповнюють легкорухомою рідиною (сірчаним ефіром або спиртом), нагрівають і запаюють. Після охолодження в середині ампули створюється невеликий простір, заповнений парами рідини, який називається бульбашкою рівня. Для захисту від пошкоджень ампула розміщується у металевій оправі, заповненої гіпсом. Юстування рівня, тобто його встановлення на приладі в потрібному положенні, виконується виправними гвинтами.

На зовнішній поверхні ампули наносяться поділки через 2 мм (рис. 24, а). Середній штрих 0 шкали вважається нульовим і називається нуль-пунктом рівня. Дотична ии до дуги АВ внутрішньої поверхні рівня в нуль пункті називається віссю рівня. Якщо бульбашка рівня знаходиться в нуль пункті, то вісь рівня горизонтальна. При нахилі осі рівня його бульбашка зміщується. Центральний кут, який відповідає одній поділці ампули, називається ціною поділки рівня μ. Отже, за допомогою рівня можна вимірювати невеликі кути нахилу ліній, пов’язаних із його віссю. Якщо бульбашка відхиляється від нуль-пункта на п поділок, то кут нахилу осі рівня до горизонту v = пμ.

Рис. 24. Циліндричний рівень

У геодезичних приладах використовують циліндричні рівні з ціною поділки від 1^″ до 2^'. Ціна поділки залежить від радіуса внутрішньої поверхні ампули рівня і служить мірою чутливості рівня, тобто здатності його бульбашки швидко і точно займати найвище положення. Крім того, чутливість рівня залежить від якості шліфування внутрішньої поверхні ампули, властивостей заповненої рідини, її температури і довжини бульбашки рівня (довга бульбашка володіє більшою чутливістю, ніж коротка).

Нормальна довжина бульбашки рівня становить 0,3 – 0,4 довжини ампули при температурі +20^°. Для збереження довжини бульбашки при зміні температури використовують компенсовані рівні (рис. 24, б) або рівні із запасною камерою – камерні рівні (рис. 24, в). Принцип будови компенсованої ампули ґрунтується на скороченні об’єму заповнювача шляхом розташування в ампулі скляної трубки 1 із запаяними кінцями. Запасна камера 2 камерного рівня відокремлюється від робочої скляної перегородкою з отвором знизу. Нахиляючи рівень, можна переміщувати частину парів заповнювача з однієї камери в іншу і тим самим регулювати довжину бульбашки. На деяких приладах встановлюють реверсні (обертні) рівні, які дозволяють спостерігати бульбашку при перевертанні рівня на 180^°.

Для підвищення точності встановлення бульбашки в нуль-пункті використовують контактні рівні. В таких рівнях зображення кінців бульбашки за допомогою приземної системи передається в поле зору труби (рис. 24, г). Несуміщене положення кінців бульбашки рівня відповідає похилому положенню осі циліндричного рівня. При суміщених зображеннях кінців бульбашки рівня вісь рівня встановлюється горизонтально. Досвід показує, що точність контактного рівня звичайно в 3-4 рази вище точності циліндричного рівня.

Круглий рівень. Круглий рівень (рис. 25) являє собою циліндричний резервуар 1 зі скляною кришкою 3, внутрішня сторона якої є частиною сферичної поверхні, певного радіуса. Резервуар заповнений сірчаним ефіром або спиртом і розташований у металевій оправі 2, прикріпленій до приладу трьома гвинтами.

Рис. 25. Круглий рівень:

а – загальний вигляд; б – розріз; в – вигляд з верху

На зовнішній частині скляної кришки вигравіювано декілька кіл із загальним центром О, який є нуль-пунктом круглого рівня. Радіус внутрішньої сферичної поверхні кришки, яка проходить через нуль-пункт, називається віссю круглого рівня. Якщо бульбашка круглого рівня знаходиться в нуль-пункті, тобто розташована концентрично з колами, то його вісь займає вискове положення.

Круглі рівні відрізняються простою конструкцією і зручністю в роботі, але менш чутливі, ніж циліндричні. Звичайно ціна поділки круглого рівня складає 5^' і більше. Тому круглі рівні використовуються для попереднього приведення осей приладів у вискове положення, а також у випадках, коли не потрібна велика точність при установці приладу.