Геодезическое инструментоведение
Геодезические инструменты. Основные требования к геодезическим инструментам.
Геодезические приборы используются как в лабораторных так и в полевых
условиях.
Большинство геодезических приборов предназначено для полевых
работ в самых различных физико-географических условиях, в любое
время года. Это предъявляет особые требования к их конструкции, которая
должна обеспечивать неизменность параметров во времени и при
воздействии внешней среды.
Высокоточные геодезические приборы должны надежно функционировать
и обеспечивать заданные параметры при температуре от -30
до +50 °С, при относительной влажности до 95 % при температуре 20 °С.
Для менее точных геодезических приборов диапазон отрицательных
температур увеличен до -40 °С.
Технологические условия проведения геодезических работ требуют
частой переноски и перевозки приборов. Это определяет соответствующие
требования к геодезическим приборам. Они должны допускать
транспортировку любым видом транспорта на значительные расстояния
и переноску в укладочных футлярах в походном положении. Отсюда
вытекает и очевидное требование минимальной массы и небольших габаритов
геодезических приборов и их блоков питания. Допустимая масса
многих приборов установлена ГОСТами, например, для всех типов
теодолитов и нивелиров. Так, ГОСТ 10529-79 для теодолитов типа Т2
устанавливает массу не более 5 кг, а с принадлежностями в упаковке —
не более 9 кг.
Полевые и экспедиционные условия работы определяют также требования
по минимальному энергопотреблению, удобству чистки, регулировки
и юстировки узлов и элементов приборов, удобству проведения
поверок. При этом внутренние полости приборов должны быть надежно
защищены от пыли, особенно их оптические системы и элементы,
а число необходимых регулировок и юстировок должно быть минимальным.
Выполнение комплекса указанных требований с учетом полевых
и всесезонных условий работы геодезических приборов, которые
в целом относятся к классу точных и высокоточных приборов, составляет
достаточно сложную научно-техническую задачу.
Как было указано в § 2, точность угловых измерений характеризуется
ошибками 1" и менее; определения превышений - 0,5 мм на 1 км
хода; определение расстояний - относительной ошибкой до 1/1 000 000;
астрономические определения - ошибкой 0,3 " и менее.
Классификация и стандартизация геодезических инструментов.
Геодезические работы характеризуются значительным разнообразием
измерений, вид и точность которых определяются поставленной задачей.
Назначение и точность являются, как правило, основными признаками
при общей классификации геодезических приборов.
По назначению, в соответствии с основными видами геодезических
работ, геодезические приборы можно подразделить на следующие
группы:
1. Приборы для измерения длин линий.
В зависимости от цели измерения, и в первую очередь от его точности,
применяются различные приборы. Для простых измерений коротких
линий - рулетки, ленты, длиномеры, дальномеры геометрического типа;
для высокоточных базисных измерений и измерений значительных расстояний
— подвесные мерные приборы (инварные проволоки), свето-
дальномеры, радиодальномеры. Свето- и радиодальномеры имеют особое
значение для повышения производительности и точности измерений,
а также при измерении расстояний до недоступных и подвижных объектов
(например> в морской и космической геодезии).
2. Приборы для измерения углов.
Здесь следует выделить простейшие приборы — транспортиры, эккеры,
эклиметры, буссоли; основные угломерные приборы — теодолиты
различного назначения и точности: высокоточные (прецизионные) (для
измерения углов при астрономо-геодезических измерениях, в триангуляции
и полигонометрии высших классов и т.п.), точные - для измерения
углов при сгущении опорных сетей и инженерных съемках, технические
— для измерений при невысокой точности. В зависимости от назначения,
точности и уровня производства принципиальное построение
теодолитов может быть различным: они могут быть механическими,
оптическими, кодовыми и др. Отдельно следует выделить группу приборов
для измерения небольших углов и угловых отклонений от заданного
направления в пределах углового поля. Эти приборы характеризуются
небольшим диапазоном измерений (до нескольких градусов)
и высокой точностью (0,1 " и выше).
3. Приборы для измерения высот и превышений.
К ним относятся: нивелиры различной точности - с уровнем, с самоустанавливающейся
линией визирования, с наклонным лучом визирования;
микробаронивелиры; гидронивелиры; профилографы.
4. Приборы для створных измерений и контроля установки оборудования
в проектное положение.
5. Комбинированные и специальные приборы.
К комбинированным приборам, т.е. к приборам, позволяющим
получить измерения нескольких видов (например, угол и расстояние),
относятся: кипрегели, тахеометры.
Промежуточное положение между комбинированными и специальными
занимают топопривязчики и инерциальные системы. К специальным
можно отнести оптические системы для измерения траектории
в космической геодезии и полигонных измерениях (астрометрические
приборы типа АФУ-75, ВАУ; кинотеодолиты; оптические локаторы;
радиометры-пеленгаторы и др.).
По точности измерений не по всем группам геодезических приборов
имеется установившаяся классификация. Есть определенные указания
лишь в стандартах на теодолиты, нивелиры и дальномеры. Теодолиты
и нивелиры подразделяются на: высокоточные - средняя квадратиче-
ская ошибка измерения угла не более 1" и превышения - не более
0,5 мм на 1 км хода; точные — не более 10" - по углу и 4 мм на 1 км
хода - по превышению; технические - более 10" - по углу и более
5 мм на 1 км хода - по превышению. Подробная классификация основных
геодезических приборов (теодолитов, нивелиров и др.) будет дана
в соответствующих главах.
По степени автоматизации кроме указанных выше кодовых
теодолитов полезно выделить лазерные геодезические приборы (нивелиры,
визиры и др.) и многие из комбинированных и специальных приборов,
обладающих высокой степенью автоматизации (например, топопривязчики,
инерциальные системы, оптические системы для измерения
траектории).
Основы устройства угломерных инструментов. Структурная схема теодолита.
При проектировании геодезических приборов выбор принципиальной
схемы прибора определяется следующими, заданными в техническом
задании основными требованиями и условиями.
1. Назначением прибора, условиями и видом измерений и функциональными
задачами прибора в измерительном комплексе.
2. Заданной точностью измерений.
3. Требованиями к взаимному теоретическому положению частей
прибора и допустимыми отклонениями от этого положения в процессе
измерений.
4. Методикой измерений, принципиально необходимой для достижения
заданной точности.
5. Видом регистрации результатов и степенью автоматизации.
6. Габаритами и массой прибора.
В соответствии с этим выбираются основные части и узлы геодезического
прибора или измерительного комплекса:
а) рабочие меры (линейные - рейки, шкалы; угловые - лимбы,
шкалы отсчетных барабанов, ампулы уровней и др.; меры для воспроизведения
и измерения времени, частоты, разности фаз);
б) осевые системы для обеспечения необходимого взаимного положения
частей прибора при проведении измерений (тип монтировки осей,
система вертикальной оси, система горизонтальной оси);
в) установочные приспособления - для приведения осей прибора
в исходное положение;
г) визирные приспособления, системы наведения и системы слежения
за объектом;
д) отсчетные и регистрирующие устройства и их оптические схемы;
е) автономные системы единого времени;
ж) устройства и системы синхронизации и управления работой измерительного
комплекса из нескольких постов;
и) системы обработки и передачи измерительной информации.
Рассмотрим для примера принципиальные схемы нескольких геодезических
приборов и измерительных комплексов.
Оптические теодолиты с вертикальным кругом. В соответствии с назначением
в теодолитах должны быть обеспечены измерения: горизонтальных
углов, вертикальных углов, расстояний (нитяным дальномером).
Следовательно, принципиальная схема должна составлять соответствующие
структурные цепи. Цепь измерения горизонтальных углов
состоит из частей и элементов: рабочей меры — горизонтального лимба;
вертикальной оси и установочных приспособлений; алидады с отсчетны-
ми устройствами и уровнем; зрительной трубы. Цепь измерения вертикальных
углов состоит: из рабочей меры - вертикального лимба; горизонтальной
оси; зрительной трубы; алидады вертикального круга с
уровнем; отсчетного приспособления. Цепь измерения расстояний включает:
зрительную трубу с нитяным дальномером; дальномерную рейку
с уровнем. Система осей используется по первым двум цепям. Исходя
из общего назначения и сопоставления функционального назначения частей
выбрана альт-азимутальная монтировка осей - двухосная монтировка
с перпендикулярными друг к другу вертикальной и горизонтальной
осями (см. § 78). Такая принципиальная схема характерна для любого
теодолита, однако в зависимости от точности и степени автоматизации
операций отдельные цепи и звенья принципиальной схемы претерпевают
соответствующие изменения.
Например, в технических теодолитах типа ТЗО, Т15 система отсчета
односторонняя, что упрощает оптическую схему, в теодолитах типа Т1,
Т2 необходима двухсторонняя система отсчета, что соответственно усложняет
оптическую схему и частную цепочку принципиальной оптической
схемы и системы отсчета. В зависимости от точности строятся цепи
отсчетных устройств — микроскоп с индексом (теодолит ТЗО), шкало-
вой микроскоп (теодолиты Т5 и Т15), оптический микрометр (теодолиты
Т1 и Т2).
Однако в соответствии с современными требованиями поля зрения
отсчетных устройств всех теодолитов должны быть совмещенными,
т.е. отсчитывание по обоим кругам производится по одному микроскопу,
расположенному рядом со зрительной трубой. Степень автоматизации
отдельных операций приводит к соответствующим модификациям
приборов и изменению частных цепочек принципиальной схемы. Например,
в теодолитах для исключения операции установки на нуль уровня
на алидаде вертикального круга предусматриваются компенсаторы,
автоматизирующие этот процесс (теодолиты Т5К, Т15К). Претерпевает
соответствующие изменения и частная цепочка принципиальной схемы -
добавляется вместо уровня более сложное звено соответствующего компенсатора
Зависимость принципиальной схемы от методики проведения измерений
частично иллюстрировалась тем, что при отсчете по двум сторонам
круга исключается ошибка эксцентриситета. Методически исключаются
коллимационная ошибка и ошибка неравенства подставок цапф
(см. гл. 3) измерениями при двух положениях круга, для чего принципиальная
схема прибора должна обеспечивать перевод трубы через зенит.
Следует отметить, что в приборах, в которых при измерениях такая
методическая возможность отсутствует, например в кинотеодолитах,
так как измерения по подвижному объекту принципиально могут проводиться
только при одном положении круга, перевод трубы через зенит
в принципиальной схеме необходим для проведения поверок прибора,
выполнения юстировок, определения коллимационной ошибки, неперпендикулярности
горизонтальной и вертикальной осей, места нуля вертикального
круга и др.
Схема осей угломерного инструмента; геометрические условия; поверки.
Осевые системы. Исследования осевых систем. Требования к осевым системам.
Осевые системы предназначены для осуществления геометрической схемы,
положения частей прибора в пространстве и их взаимного расположения
в соответствии с теорией и методикой измерений. При измерениях
вращение отдельных частей геодезических приборов происходит, как
правило, в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В соответствии
с зтим геометрические оси соответствующих осевых систем в рабочем
положении должны быть совмещены с отвесной или горизонтальной
линиями. Таким образом, в геодезических приборах имеются две основные
системы осей: вертикальная и горизонтальная. Вертикальные оси
угломерных приборов и нивелиров в рабочем положении совмещаются
с отвесной линией и соединяют алидадную часть прибора, несущую горизонтальную
ось с визирными приспособлениями, с подставкой прибора
и горизонтальным угломерным кругом (если он имеется). Другие
геометрические схемы использования вертикальной оси (например,
в оптических центрирах) освещены в соответствующей литературе
[IS, 27].
Горизонтальные оси должны обеспечивать вращение зрительной трубы
в отвесной плоскости (угломерные приборы) или вокруг ее геометрической
оси.
Горизонтальные оси должны обеспечивать вращение зрительной трубы
в отвесной плоскости (угломерные приборы) или вокруг ее геометрической
оси.
Системы вертикальной оси в зависимости от способа измерения
углов подразделяются на повторительные и неповторительные. Повторительная
система вертикальной оси (измерение углов способом повторений)
должна обеспечивать как одновременное совместное вращение
алидады и лимба в скрепленном положении, так и раздельное вращение
алидады и лимба. Поочередным вращением лимба и алидады несколько
раз откладывают (повторяют) на лимбе величину измеряемого угла,
а отсчитывают лишь один раз. Это повышает точность измерений. Для
этого, как и алидада, лимб должен иметь закрепительный и наводящий
винты.
В неповторительной системе вертикальной оси, позволяющей перестановку
лимба, т.е. измерение для уменьшения влияния ошибок деления
лимба на разных его частях, лимб должен иметь лишь закрепительный
винт или приспособление для его поворота и закрепления в различных
положениях.
В зависимости от формы соприкасающихся поверхностей оси подразделяются
на конические и цилиндрические.
В зависимости от типа конструкции - на оси нормального, полукинематического
и кинематического типа.
Системы горизонтальной оси различаются по форме цапф (цилиндрические,
конические), форме лагер (плоскости, пересекающиеся под
углом около 90°; цилиндрические лагеры; круглые лагеры с опорными
выступами и поясками), а также по типу подшипника (скольжения
или качения).
Осевые системы должны обеспечивать: 1) точность совмещения
(центрировки) осей, их взаимное положение (перпендикулярность,
параллельность) в пределах заданного диапазона перемещений; 2) сохранение
точности перемещения и легкости вращения при влиянии внешних
воздействий (температура, влажность и т.п.); 3) сохранение формы
и размеров деталей при минимальном износе их поверхностей в процессе
всего времени эксплуатации, заданного техническими условиями
(например, для теодолитов 6—8 лет).
Вертикальные оси; их классификация. Исследования правильности вращения алидады.
На рис. 3 показаны схемы вертикальных осей теодолитов. На схеме рис. 3, а – повторительная система осей. Ось лимба 2 вращается в неподвижной втулке подставки
3 и одновременно является втулкой оси 1 алидады. Поверхности
подшипников скольжения лимба и алидады непосредственно соприкасаются,
что является недостатком, так как возможно увлечение лимба при вращении алидады. Этот недостаток привел к тому, что такая система
осей встречается лишь в теодолитах технической точности с металлическими
и стеклянными лимбами. В целях предохранения от увлечения лимба
при вращении алидады в более современных повторительных теодолитах
применяют схему, показанную на рис. 3,5. Здесь втулка 3 алидады
жестко соединена с подставкой и неподвижна. Во внутренней поверхности
втулки 3 вращается ось алидады / , а наружная поверхность этой
втулки служит осью для втулки, несущей лимб 2. Поверхности оси алидады
и лимба непосредственно не соприкасаются, увлечение лимба
исключено. Однако в этой схеме по сравнению с предыдущей (рис. 3, д)
сложнее обеспечить центрировку осей лимба и алидады, так как появляется
дополнительная поверхность, эксцентриситет которой надо выдержать
с высокой точностью.
В точных теодолитах и теодолитах повышенной точности, которые
используются для измерения горизонтальных углов способом круговых
приемов, не требуются соединение и совместное вращение лимба и алидады.
Вследствие этого схемы таких вертикальных конических или
цилиндрических осей просты и состоят из втулки, соединенной с подставкой,
в которой вращается ось алидады, несущая отсчетные приспособления,
а снаружи этой втулки вращается лимб (рис. 3,6).
В конических осях высокоточных приборов при значительной массе
вращающейся части для уменьшения трения применяются специальные
опоры, являющиеся разгрузочными приспособлениями. Иногда разгрузочные
приспособления одновременно являются регулировочными для
регулирования зазора между втулкой и осью. На рис. 6 показано регулировочное
приспособление с опорой внизу. В верхнюю поверхность
гайки 4 упирается острие оси 7. Перемещая гайку 4 в нижней части
втулки 3 приподнимают или опускают ось 7. Гайка 2 замыкает ось и
удерживает ее от выпадания. В системах вертикальной оси приборов применяют так называемые проволочные подшипники (см. § 25), достоинством которых является
то, что они фиксируют вертикальную ось как в осевом, так и в радиальном направлении и допускают большую внецентреннюю нагрузку по
сравнению с подшипниками кинематического типа с плоскими опорными
к
ольцами,
хотя и имеют ниже точность по наклону
оси.