3.6.2. Отсчетные устройства геодезических приборов

Измерения длин, углов и других величин сопровождаются отсчетами. Отсчетом называют величину отрезка или дуги между нулевым штрихом шкалы и индексом (нуль–пунктом, указателем), соприкасающимся со шкалой или спроектированным на нее. Штрихи шкалы, между которыми расположен индекс, в зависимости от удаления от нуля шкалы называют младшим и старшим (на рис.47, а это соответственно штрихи 8 и 9, 0 и 1). Отсчет по равномерной шкале складывается из двух частей: отсчет целых делений шкалы, заключенных между нулевым делением шкалы и указателем, плюс дробная часть наименьшего деления шкалы, заключенная между ближайшим к указателю младшим штрихом шкалы и указателем:

S = (N+x )λ = Nλ+xλ , (52)

где N – число целых делений шкалы от нуля до индекса;

x – дробная часть деления шкалы;

λ – цена деления шкалы.

Именно для определения дробной части шкалы служат отсчетные приспособления.

Отсчетные устройства необходимы для обеспечения точности прибора. Их проектируют таким образом, чтобы видимая величина наименьшего интервала между делениями шкалы или лимба составляла 1 – 3 мм. В этом случае при достаточной четкости и освещенности изображения штрихов, а также правильном соотношении ширины штрихов с интервалом между ними точность отсчитывания с оценкой доли на глаз составляет 0,05 – 0,1 интервала. Поэтому для пятисекундного теодолита 2Т5К или 3Т5КП величина наименьшего интервала соответственно 1', для теодолита Т30 – 10', для 2Т30 – 5'. В первом случае точность отсчитывания составляет 3 – 6", во втором 30 – 60", в третьем 15 – 30".

Таблица – погрешность диаметров кругов теодолитов

Теодолит	Средняя квадратическая погрешность измерения горизонтальных углов	Погрешность диаметров кругов
		горизонтального	вертикального
2Т2, 3Т2КП 2Т5, 2Т5К, 3Т5КП 2Т30 Т30	2" 5 20 30	1,5" 2,5 6 8	3 – 2" 3,5 6 8

В угломерных приборах используются следующие отсчетные приспособления: 1) верньеры; 2) штриховые микроскопы; 3) шкаловые микроскопы; 4) микроскопы с оптическими микрометрами; 5) микроскопы с винтовыми микрометрами. Наибольшее распространение получили приспособления 2,3,4.

Рис. 50. Оптическая схема отсчетной системы теодолита 4Т30П:

1 – зеркало подсветки; 2 – иллюминатор; 3 – вертикальный круг; 4, 10, 14 – призмы; 5 – коллектив с индексом; 6 – окуляр; 7 – объектив отсчетного микроскопа; 8 – пентапризма; 9 – горизонтальный круг; 11 – вторая линза объектива вертикального круга; 12 – объектив горизонтального круга; 13 – первая линза объектива вертикального круга.

Штриховой микроскоп (микроскоп–оценщик) – это отсчетное устройство, в котором интервал между младшим штрихом лимба и индексом (дробная часть деления шкалы) оценивается на глаз до десятых долей деления лимба. В поле зрения окуляра микроскопа видны одновременно деления горизонтального (Г) и вертикального (В) кругов и отсчетного индекса. Отсчеты берутся по одной стороне круга и соответствуют приведенной выше формуле. На рис. 51, а показаны отсчеты по лимбам

B = 0º30΄+0,6º·10΄ = 0º36΄ и Г = 8º30΄+0,3º·10΄ = 8º33΄ , где 10΄ – цена деления лимба.

Схемы передачи изображения горизонтального и вертикального лимбов в поле зрения микроскопа приведены в последующих параграфах при рассмотрении конкретных типов приборов.

Юстировка штрихового микроскопа считается правильной когда:

1) изображения штрихов горизонтального и вертикального кругов четкие;

2) изображения делений кругов находятся в плоскости стеклянной пластинки со штрихом;

3) отсчетный индекс параллелен изображениям штрихов делений лимбов.

Шкаловый микроскоп (рис.51, б) устроен так же, как штриховой, но взамен штриха на стеклянную плоскопараллельную пластинку, расположенную в поле зрения микроскопа, нанесена шкала. Размер шкалы и увеличение микроскопа выбирают так, чтобы видимая величина одного деления лимба точно равнялась длине шкалы. При нарушении этого условия наблюдается рен (от английского – бег, пробег) микроскопа. Влияние рена на результаты измерений, способ его определения и устранения будут рассмотрены далее.

При отсутствии рена полный отсчет по шкаловому микроскопу выражается формулой

S = (Nλ + kγ + yγ), (53)

где N – число целых делений лимба, участвующих в отсчете; λ – цена деления лимба в градусной мере; γ – цена деления шкалы микроскопа; y дробная часть наименьшего деления шкалы, оцениваемая на глаз.

Если шкала имеет n делений, то цену деления шкалы γ можно найти из выражения

γ = λ / n . (54)

На рис.51, б показаны отсчеты В = 0º25,5΄ и Г = 127º05,4΄.

Если шкаловый микроскоп правильно отъюстирован, то выполняются следующие условия:

1) видимые величины наименьших делений как горизонтального, так и вертикального кругов равны общей длине отсчетных шкал микроскопа, т.е. отсутствует рен;

2) штрихи шкал параллельны штрихам делений лимбов;

3) изображения делений лимбов и штрихов шкал при некотором едином положении окуляра микроскопа одинаково четкие.

Двусторонний оптический микрометр (рис. 51, в). Все рассмотренные выше отсчетные устройства позволяют отсчитывать на одном конце диаметра лимба, т.е. не исключают влияние эксцентриситета.

При высокоточных измерениях для исключения влияния эксцентриситета алидады (лимба) отсчитывание производится по двум отсчетным устройствам, расположенным на диаметрально противоположных частях лимба, что вынуждает наблюдателя перемещаться вокруг прибора. Принцип совмещенного отсчитывания позволяет получить отсчет, свободный от эксцентриситета, по одному отсчетному микроскопу. Сущность этого принципа состоит в следующем. С помощью «оптического мостика» рядом с основными штрихами лимба строят прямое (незеркальное) изображение штрихов противоположной части лимба. Затем с помощью оптической системы изображение этих двух частей лимба передается в поле зрения отсчетного микроскопа (рис. 51, в, два левых окошка). При этом младшие штрихи лимба расположатся симметрично относительно мнимого отсчетного индекса (на рисунке его нет) на расстояниях Δ₁ и Δ₂ от него, не превышающих цену деления лимба λ. То есть Δ₁ и Δ₂ представляют собой дробные части деления лимба. Тогда отсчет по лимбу можно записать как

(55)

Если лимб имеет эксцентриситет, то Δ₁ ≠ Δ₂, но арифметическое среднее из этих величин свободно от влияния эксцентриситета.

В отличие от предыдущих типов микроскопов в микроскопе–микрометре дробная часть деления лимба не оценивается на глаз и не отсчитывается, а измеряется. С этой целью на пути лучей, проектирующих изображение двух частей лимба в поле зрения микроскопа, устанавливают подвижные оптические детали: плоскопараллельные пластинки, оптические клинья, линзы. Эти детали могут перемещаться в различных направлениях либо поворачиваться вокруг определенных осей под действием специального механизма, снабженного барабанчиком вращения. При перемещении или повороте оптических деталей под действием барабанчика изображения штрихов диаметрально противоположных частей лимба в поле зрения микроскопа будут либо сходиться, либо расходиться в противоположные стороны. Величину смещения штрихов можно отсчитать по шкале, нанесенной на барабанчике. Полный оборот барабанчика от нулевого до последнего деления его шкалы соответствует смещению двух изображений штрихов лимба ровно на одно деление лимба. Поэтому цена деления шкалы микрометра равна

τ = λ / 2n , (56)

где n – количество делений на барабанчике.

Отсчитывание по лимбам производится в таком порядке. В центральном окне поля зрения отсчетного микроскопа (рис. 51, в) находятся изображения диаметрально противоположных бинарных (двойных) штрихов лимба, разграниченные разделительной линией, в верхнем окне – цифры градусов, ниже – шесть цифр (от 0 до 5), указывающих десятки минут, в правом окне – шкала микрометра. Левый ряд цифр шкалы микрометра соответствует единицам минут, правый ряд цифр – десяткам секунд, а каждое деление шкалы – одной секунде.

Перед отсчитыванием, вращая барабанчик микрометра, тщательно совмещают средние линии верхнего и нижнего изображений бинарных штрихов лимба горизонтального (или вертикального) круга. После этого записывают показания шкал. Если в верхнем окне видны два градусных числа, то рабочим является число, находящееся в пределах цифр десятков минут. Цифра, расположенная под серединой числа градусов (2 под 17), показывает количество десятков минут. К ним нужно прибавить единицы минуты (левый ряд цифр – 5), десятки секунды (правый ряд цифр – 2) и единицы секунды со шкалы микрометра (7). На рис. 51, в отсчет соответствует 17º25'27".

а)

в)

Рис. 51. Поле зрения микроскопа: а) штриховой, б) шкаловый,

в) оптический микрометр