6.3. Конструкція теодоліта технічної точності

Загальний вигляд теодоліта Т30 поданий на рис. 6.4, а на рис. 6.5 наведений його вертикальний розріз. Конструктивно теодоліт складається з верхньої рухомої частини і нижньої нерухомої - підставки 9. Підставка з трьома підйомними гвинтами 10 жорстко скріплена з круглою основою 11 металевого установочного футляра теодоліта. Теодоліт встановлюється на головку штатива 15 і прикріпляються становим гвинтом 14.

Рисунок 6.4 - Теодоліт Т30

За функціональним призначенням окремі конструктивні елементи теодоліта об'єднані в такі пристрої: орієнтування в просторі, наведення і вимірювання.

Пристрої орієнтування в просторі включають осьові системи, гоpизонтуючий пристрій і центpиp.

Осьові системи призначені для реалізації геометричної схеми приладу і приведення елементів теодоліта у певне положення в просторі у відповідності з принципом кутових вимірювань. За призначенням і розміщенням розрізняють вертикальні і горизонтальні осьові системи. Під вертикальною осьовою системою розуміють систему, що з'єднує нижню частину теодоліта (підставку), з його верхньою частиною, яка несе пристрої наведення і вимірювання.

Рисунок 6.5 - Конструктивні елементи теодоліта Т30

У теодолітах серії Т30 використовується вертикальна осьова система повторювального типу, циліндрична, порожня.

Вона забезпечує два види обертання верхньої алідадної частини теодоліта: спільне з лімбом і відокремлене від лімба.

Таблиця 6.1 - Основні технічні характеристики теодолітів серії Т30
Технічні характеристики	Назва теодоліта
	Т30	2Т30П	2Т30М
Середня квадратична похибка вимірювання одним прийомом, сек
горизонтального кута	30	30	30
вертикального кута	45	30	45
Збільшення зорової труби, крат	20	20	21
Світловий діаметр об’єктива, мм	29	25	25
Найменша віддаль візування, м	1.2	1.0	1.0
Діаметр горизонтального / вертикального круга, мм	72/72	72/72	72/72
Ціна поділки лімба	10'/10'	1°/1°	1°/1°
Ціна поділки шкал мікроскопа	-	5'	1'
Ціна поділки рівня, сек
на алідаді горизонтального круга	45	45	60
на зоровій трубі	20	20	20
Висота теодоліта, мм
загальна	240	235	275
від горизонтальної вісі	175	180	200
Маса, кг
теодоліта	2.2	2.2	3.0
футляра	1.0	1.3	3.5

Під час загального обертання, коли відкріплено закріпний гвинт лімба 24 (рис. 6.4), відлік по лімбу не змінюється. Під час часткового обертання, коли відкріплено закріпний гвинт алідади 17, а закріпний гвинт лімба 24 затиснутий, змінюються відліки по лімбу.

Горизонтальна осьова система встановлюється перпендикулярно до вертикальної осьової системи. Вона служить для обертання зорової труби, розміщення вертикального кутомірного круга та інших деталей. Горизонтальна вісь виконана заодно з корпусом зорової труби і встановлена в лагеpах - втулках 28 і 29 (рис. 6.5). Внутрішні діаметри втулок ексцентричні відносно зовнішніх посадочних діаметрів. Це дає можливість виконувати юстирування нахилу осі обертання зорової труби.

Пристрій гоpизонтування призначений для приведення вертикальної осі у прямовисне положення. Він складається з підставки 9, що має форму тригранної призми з циліндричною втулкою, трьох підйомних гвинтів 10 і установочного циліндричного рівня 18 з виправними гвинтами 16 (рис. 6.4).

Установочний циліндричний рівень або циліндричний рівень біля алідади горизонтального круга складається з двох частин: чутливого елемента 1 і підставки 2 (рис. 6.6). Як чутливий елемент рівня використовується ампула з рідиною, внутрішня поверхня ампули має тороїдальну форму.

Радіус шліфованої поверхні (рис. 6.6б), перпендикулярної до нижньої площини підставки (лінія АВ), перетинає цю поверхню в деякій точці N, що називається нуль пунктом. Дотична , що проходить через нуль-пункт рівня, називається віссю рівня. Таким чином, лінії LL і AB повинні бути паралельні, в цьому полягає головна властивість нуль пункту. На зовнішній поверхні ампули нанесені поділки через 2 мм. Нуль-пункт - це точка на ампулі рівня, розміщена посередині ампули, відносно якої симетрично нанесені поділки шкали рівня.

Як наповнювач для ампули використовують етиловий ефір. Кінці ампули після заповнення рідиною в гарячому стані запаюються. При охолодженні з пару наповнювача утворюється бульбашка рівня. Вона має витягнуту форму з півколами на кінцях. Бульбашка рівня приймає вищу точку шліфованої поверхні ампули. Таким чином, для того, щоб лінію підставки АВ привести в горизонтальне положення, необхідно привести бульбашку рівня в нуль-пункт. При цьому вісь циліндричного рівня займе горизонтальне положення.

Основними параметрами циліндричного рівня є ціна поділки рівня  і чутливість рівня . Ціна поділки рівня - це центральний кут, який відповідає дузі в одну поділку шкали ампули.

Чутливість рівня - це найменший кут, на який потрібно нахилити вісь рівня, щоб бульбашка перемістилася на десяту частку поділки шкали.

Рисунок 6.6 - Циліндричний рівень

1 – ампула; 2 – оправа; 3 – шарнір; 4 - регулювальна гайка; 5 - юстирувальні гвинти

В теодоліті Т30 застосовується циліндричний рівень з ціною поділки 45". Він являє собою просту ампулу 1, яка залита гіпсом в оправі 2 (рис. 6.6а). Один кінець оправи з'єднується з корпусом фіксовано, а другий юстувальними гвинтами 5. Для усунення зазору в сферичному шарнірі 3 використовується регулювальна гайка 4.

Для суміщення центра горизонтального круга з прямовисною лінією, що проходить через точку стояння теодоліта, застосовують нитковий висок або оптичний центpиp. Як оптичний центpиp теодоліта Т30 використовується зорова труба. Теодоліт має порожнисту вертикальну вісь і отвір в дні футляра. Це дає можливість центрувати теодоліт над точкою місцевості за допомогою зорової труби, встановленої для цього вертикально об'єктивом вниз.

Для наведення зорової труби на предмет теодоліт має закріпні і навідні гвинти зорової труби (6,7), алідади (17,8) і лімба (24,23), (рис. 6.4).

Закріпні гвинти фіксують у нерухомому положенні зоpову трубу, алідаду і лімба, навідні гвинти забезпечують їх повільне і плавне обертання.

На pис.6.7 подана конструкція навідного пристрою алідади теодоліта з неспіввісним розміщенням закріпного 6 і навідного 1 гвинтів. Навідний гвинт розміщений у втулці 2. Шпилька 3 входить в лунку хвостовика хомутика 4, з протилежного боку якого розміщений пружинний упор 5. Закріпним гвинтом 6 скріпляють хомутик 4 з втулкою вертикальної осі.

Рисунок 6.7 - Навідний пристрій алідади

Зорова труба - це оптичний пристрій, призначений для візуальних спостережень віддалених предметів. Зорові труби бувають астрономічні і земні; перші дають обернене, а другі - пряме зображення предметів. Вони розділяються на два види: труби з зовнішнім фокусуванням; труби з внутрішнім фокусуванням.

Сучасні геодезичні прилади мають зорові труби з внутрішнім фокусуванням. Зорова труба є складним оптико-механічним пристроєм, який включає такі оптичні елементи: об'єктив 4, лінзу фокусування 31, площинно-паpалельну пластинку з сіткою ниток 30 і окуляр 2 (рис. 6.5).

Об'єктив теодоліта Т30 - це дволінзовий ахромат. Об'єктив 4 і компонент фокусування 31 утворюють телеоб'єктив, який дозволяє зменшити габарити зорової труби.

Між окуляром і фокусуючою лінзою розміщують сітку ниток, в площині якої формується зображення предмета, що розглядається. Для візирних цілей, що розташовані на різних віддалях, переміщають фокусуючу лінзу 31 обертанням кремальєри 1 (рис. 6.5). Ця операція носить назву фокусування або установки зорової труби за предметом.

Сітка ниток - це плоскопаpалельна пластинка з системою штрихів. У зоровій трубі з внутрішнім фокусуванням віддаль між об'єктивом і сіткою ниток не змінюється.

Рисунок 6.8 - Типи сіток ниток теодолітів Т30

На pис.6.8 наведені типи сіток ниток теодолітів Т30 і Т30М. Основні штрихи сітки використовують для наведення зорової труби у горизонтальній та вертикальній площинах. Систему двох вертикальних штрихів називають бісектором. Візування на ціль за допомогою бісектора точніше, ніж однією ниткою. Точка перетину основних штрихів сітки ниток називається перехрестям сітки ниток. Перехрестя сітки ниток використовується для візування на точки, що спостерігаються.

Уявна лінія, яка з'єднує перехрестя сітки ниток і оптичний центр об'єктива, називається візирною віссю зорової труби, а її продовження до цілі, за якою спостерігають, називають лінією візування. Для правильної установки візирної осі оправа сітки ниток має два горизонтальні і два вертикальні виправні гвинти 32 (рис. 6.5, 6.8).

За допомогою кожної з пар виправних гвинтів сітки ниток, попередньо ослабивши один з гвинтів другої пари гвинтів, можна переміщати сітку в невеликих межах в горизонтальний або вертикальній площинах.

Окуляр - це система лінз, яка служить для збільшення зображення, що створюється об'єктивом. У теодолітах серії Т30 використовується чотирилінзовий симетричний окуляр 33 (рис. 6.5).

Спостерігач під час візування на ціль повинен в полі зору труби бачити чіткі зображення штрихів сітки ниток і розглядуваного об'єкта. Операція по забезпеченню цієї умови носить назву установки зорової труби на око та за предметом Для отримання чіткої видимості штрихів сітки ниток обертають діоптрійне кільце окуляра. Це виконується кожним спостерігачем в залежності від зору і періодично уточнюється. Установка труби за предметом виконується за допомогою обертання фокусуючого гвинта 1 (рис.6.5) при візуванні на кожен предмет.

Переміщення ока відносно окуляра не повинне викликати зміщення перехрестя сітки ниток з зображення цілі, за якою спостерігають. При недостатньо старанному фокусуванні труби виникне явище, яке називається паралаксом сітки ниток, що усувається невеликим поворотом фокусуючого гвинта труби.

Скористуємося еквівалентною заміною при складенні схеми ходу променів у зоровій трубі з внутрішнім фокусуванням (pис.6.9). У цьому випадку сумісна дія об'єктива і фокусуючої лінзи О₂ (рис. 6.9а) рівносильна до дії однієї еквівалентної додатної лінзи з центром О (рис. 6.9б) з змінною фокусною віддалю.

При візуванні зоровими трубами розглядуваний предмет АВ знаходиться на віддалі, яка перевищує подвійну фокусну віддаль телеоб'єктива. У цьому випадку еквівалентна лінза будує дійсне, обернене і зменшене зображення , яке будується у площині сітки ниток NM.

Зображення побудоване за допомогою пари променів, які проходять через центр О еквівалентної лінзи (пунктирна лінія) і іншої пари променів (суцільна лінія), що проходить через передній фокус F (рис. 6.9б). Зменшене зображення розглядається через окуляр , який будує пряме, збільшене і уявне зображення . Зображення, що сприймається спостерігачем, буде оберненим, збільшеним і уявним.

Зображення предмета, що отримується простою зоровою трубою, супроводжується оптичними спотвореннями. Для послаблення їхнього впливу у зорових трубах геодезичних приладів застосовують складні об'єктиви і окуляри, а також діафрагми, які затримують проходження крайніх променів світла.

Рисунок 6.9 - Зорова труба з внутрішнім фокусуванням

Основними оптичними показниками зорової труби є фокусна віддаль, збільшення, поле зору, роздільна здатність, яскравість зображення.

Збільшення зорової труби є одним з важливих показників зорової труби. Видимим або кутовим збільшенням труби називається відношення кута (pис.6.10б), під яким зображення розглядуваного предмета видно в трубу, до кута , під яким предмет видно неозброєним оком:

. (6.1)

Збільшення зорової труби можна прийняти рівним до відношення фокусних віддалей об'єктива і окуляра:

, (6.2)

а

Рисунок 6.10 - Збільшення і поле зору труби

бо як відношення діаметра вхідного отвору об'єктива D до діаметра вхідного отвору труби d:

. (6.3)

За діаметр вхідного отвору об'єктива звичайно приймають діаметр його оправи.

Збільшення зорової труби можна визначити за допомогою вертикальної рейки з поділками, встановленої на віддалі 10-20 м від приладу (pис.6.10а). Для цього підраховують число цілих n поділок рейки, видимих в трубу (наприклад, 2). Тоді, відводячи око від окуляра труби, неозброєним оком проектують на рейку послідовно верхній а і нижній б краї видимих в трубу віддалемірних штрихів. Підраховують число N поділок рейки між точками а^ і б^ (наприклад, 40). Тоді збільшення зорової труби дорівнює:

.

Поле зору труби - це простір, видимий в трубу при її нерухомому положенні. Воно визначається кутом, вершина якого знаходиться в центрі об'єктива О і променями, які проходять через центр об'єктива і краї сітки ниток (рис. 6.10б). Для труби, встановленої на безкрайність, можна записати:

,

де - кількість градусів у радіані.

Діаметр отвору сітки ниток конструктивно зв'язаний з фокусною віддаллю окуляра так що ,

тоді

, (6.4)

де - збільшення зорової труби.

Кут поля зору труби можна визначити за горизонтальним і вертикальним кругом. Для цього послідовно суміщають правий (верхній) і лівий (нижній) краї діафрагми кільця сітки ниток з деякою точкою. Різниця відліків по горизонтальному або вертикальному лімбах дасть значення кута поля зору.

У другому способі рахують кількість поділок n за рейкою між краями діафрагми і віддаль S (рис. 6.10б):

.

Середня квадратична похибка візування однією ниткою зорової труби визначається з виразу:

, (6.5)

де 60" - значення граничного кута зору.

В залежності від гостроти зору, форми предметів, фону, на який вони проектуються, граничний кут зору змінюється у межах від 30" до 120".

Вимірювальний пристрій теодолітів серії Т30 призначений для вимірювання горизонтальних і вертикальних кутів. До складу вимірювального пристрою входять лімби горизонтального 28 і вертикального 19 кругів (рис. 6.5), що відіграють роль еталонів, з якими порівнюються при вимірюванні значення кутових величин, і відліковий пристрій (мікроскоп).

Лімб - це робоча міра теодоліта у вигляді кругової шкали, нанесеної на скляний круг. Градуювання лімбів виконується в градусній або градовій мірах.

Оцифpовка поділок на лімбі виконується через 1° або 10'. Центральний кут, що відповідає дузі між двома сусідніми штрихами, називається ціною поділки лімба. Ціна поділки лімбів горизонтального і вертикального кругів теодоліта Т30 дорівнює 10', теодолітів 2Т30П і 2Т30М - 1°. Штрихи на горизонтальному крузі нанесені на нижній поверхні плоскопаpалельної скляної пластинки (рис. 6.11). Оправа з горизонтальним кругом закріплена шістьма гвинтами на втулці 25 вертикальної осі (рис. 6.5). Вертикальний круг 19 закріплений на торці горизонтальної осі. Штрихи нанесені на внутрішній поверхні круга, оберненої до зорової труби і цифровані через 1°.

Штриховий мікроскоп - це оптичний відліковий пристрій, призначений для взяття відліків по горизонтальному та вертикальному кругах теодоліта. Оптична схема штрихового мікроскопа приведена на рис. 6.11.

Промені світла, відбиваючись від дзеркала 1 і пройшовши через захисне скло 2, освітлюють штрихи вертикального круга 3. Зображення штрихів вертикального круга проектується у площину штрихів горизонтального круга 7 за допомогою призми 4 і лінз 5 і 6 об'єктива. На плоску поверхню колективної лінзи (колектив) 5 нанесено відліковий штрих - індекс алідади.

Рисунок 6.11 - Оптична схема теодоліта Т30

Через систему лінз та призм зображення індексу і штрихів лімба горизонтального та вертикального кругів передаються в поле зору (рис. 6.12) мікроскопа, який складається з об'єктива 13 і окуляра 14.

Зображення штрихів горизонтального круга відмічено буквою Г і поміщено внизу, а вертикального - буквою В і поміщено уверху.

Рисунок 6.12 - Поле зору відлікового мікроскопа

В центрі поля поміщений відліковий штрих - індекс, загальний для обох лімбів. Відлік за вертикальним кругом на рис. 6.12а дорівнює 358°46', за горизонтальним - 69°56'.

Шкаловий мікроскоп - призначений для проведення відліків по горизонтальному та вертикальному кругах теодоліта.

В поле зору шкалового мікроскопа передається зображення штрихів лімбів горизонтального (Г) та вертикального (В) кругів теодоліта і шкали довжиною в 60' з ціною найменшої поділки через 1'. Кожна десята поділка підписана (рис.6.12б). У теодоліта 2Т30П вона розділена на 12 рівних частин з ціною поділки 5' (рис.6.12в).

Номінальна точність t штрихового відлікового мікроскопа дорівнює:

, (6.6)

таким чином при , отримаємо t=1'.

Номінальна точність шкалового відлікового мікроскопа приймається рівною:

, (6.7)

де n - кількість поділок шкали.

Під час відліку по лімбу значення кута округлюється до величини кратної точності відлікового пристрою. Таким чином, середня квадратична похибка відліку - це похибка округлення:

. (6.8)

Її максимальне значення визначається з виразу:

, (6.9)

яке застосовується при попередніх розрахунках. Для теодолітів Т30 і 2Т30П середня квадратична похибка відліку приймається рівною відповідно 30" і 15".

Сучасними модифікаціями теодоліта Т30 є теодоліти 2Т30 та 2Т30М (рис. 6.13), які в основному повторюють конструкцію теодоліта Т30, визнаного за кордоном. Теодоліт Т30 випускала західнонімецька фірма Цейса під назвою ТН51.

Рисунок 6. 13 - Теодоліти модифікацій 2Т30 та 2Т30М

Для підвищення точності відраховування теодоліти 2Т30 і 2Т30П мають шкаловий відліковий мікроскоп. Блок Аббе зорової труби обертає зображення на 180° і створює пряме зображення предметів. На зоровій трубі встановлений рівень для нівелювання горизонтальним променем.

Середня квадратична похибка вимірювання кутів з одного прийому підвищена до 18"-20".

Теодоліти Т30М і 2Т30М (рис. 6.13б) є теодолітами технічної точності і виготовляються у маркшейдерському виконанні. Повторюючи основні конструктивні особливості теодолітів серії Т30, теодоліти Т30М відповідають більш високим вимогам і призначені для виконання кутових вимірювань у підземних умовах як у нормальному, так і у підвішеному положенні приладу.

У приладі змінена конструкція вертикальної осі, використовується спеціальний повторювальний пристрій у вигляді засувки, зйомка підставка і реверсивний рівень біля алідади горизонтального круга. На кронштейнах візирів нанесені центри для центрування теодоліта за нитковим виском під точкою. Сітка ниток зорової труби (рис. 6.8б) містить додаткову шкалу для вимірювання малих кутів. Для підсвічування відлікової системи теодоліт має електроосвітлювач. Модифікація 2Т30МП має компенсатор біля вертикального круга і зоpову трубу прямого зображення.