• ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО УГЛА

При геодезическом обслуживании строительно-монтажных работ измеряют горизонтальные и вертикальные углы. При этом измеряют не сами углы между сторонами, которые в основном бывают наклонными, а горизонтальные проекции углов.

Рис. 28. Принцип измерения горизонтального угла

Сущность измерения горизонтальных углов заключается в следующем. На местности обозначены три точки A, B, и C, лежащие на разных высотах (рис. 28).

Необходимо измерить горизонтальный угол при вершине B между направлениями ВА и ВС. Через линии ВА и ВС проведем отвесные плоскости P и Q, которые имеют общее ребро Bb.

Спроектируем плоскости P и Q до пересечения с горизонтальной плоскостью M. Линии пересечения этих плоскостей образуют горизонтальный угол abc = b. Любой другой двухгранный угол, например А₁В₁С₁,будет иметь такую же меру.

Таким образом, горизонтальный угол – это ортогональная проекция пространственного угла на горизонтальную плоскость.

Для измерения горизонтального угла в точке b₁ поместим градуированный круг, плоскость которого горизонтальна, центр круга лежит на ребре Bb, а радиусы b₁a₁ и b₁с₁ находятся в плоскости P и Q. Если деления оцифрованы по ходу часовой стрелки, то угол abc равен разности отсчетов c₁ и a₁, т. е. b = c₁ – a₁.

Описанная геометрическая схема измерения горизонтального угла осуществляется в угломерном приборе, называемом теодолитом (рис. 29).

Главными частями теодолита являются горизонтальный и вертикальный круги и зрительная труба.

Оба угломерных круга имеют лимбы 4 и 8. Лимбом называется рабочая мера геодезического угломерного прибора в виде круговой кривой и представляющая собой стеклянный или металлический диск. На краю лимба нанесены деления в градусах или гонах. В процессе измерения угла лимб горизонтального круга должен быть неподвижен и горизонтален.

Над лимбом горизонтального круга расположена установленная в подставке 2 верхняя часть теодолита, содержащая алидаду вертикального круга 10 и зрительную трубу 7. Алидадой называется часть теодолита, расположенная соосно с лимбом и несущая элементы отсчетного устройства. На алидаде имеется индекс, позволяющий определять ее положение относительно лимба.

Совместная ось вращения алидады 15 и лимба горизонтального круга 4 называется вертикальной осью JJ теодолита. Вертикальная ось устанавливается в отвесное положение, а плоскость лимба – в горизонтальное по цилиндрическому уровню 1 с помощью подъемных винтов 3.

Зрительная труба прикреплена к колонкам 12 и жестко соединена с лимбом вертикального круга 8. Уровень вертикального круга 9 служит для установки нулевого диаметра алидады 10 в горизонтальное положение. При вращении трубы вокруг горизонтальной оси HH (горизонтальная ось прибора) образуется вертикальная плоскость, которая называется коллимационной. Поворот трубы на 180° вокруг горизонтальной оси называется «переведением трубы через зенит». Вертикальный круг может располагаться справа или слева от зрительной трубы, если смотреть со стороны окуляра. Первое положение называется «круг право» и обозначается символом КП, второе – «круг лево» и обозначается символом КЛ.

Рис. 29. Устройство теодолита: 1) уровень при горизонтальном круге; 2) подставка; 3) подъемный винт; 4) лимб горизонтального круга; 5) наводящий винт алидады; 6) закрепительный винт алидады; 7) зрительная труба; 8) лимб вертикального круга; 9) уровень вертикального круга; 10) алидада вертикального круга; 11) ось вращения трубы; 12) колонка; 13) закрепительный винт лимба; 14) наводящий винт лимба; 15) алидада горизонтального круга

Основные оси теодолита

JJ – ось вращения прибора (ВЕРТИКАЛЬНАЯ ОСЬ)

НН – ось вращения трубы (ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ОСЬ)

W – визирная ось зрительной трубы

U_rU_rU_BU_B – оси уровней при горизонтальном и вертикальном кругах прибора

Все вращающиеся части теодолита снабжены закрепительными 6, 13 и наводящими 5, 14 винтами. Первые служат для фиксации соответствующих частей в неподвижном положении, вторые – для точного наведения на визирную цель.

В комплект теодолита входят штатив, отвес и буссоль. Штатив представляет собой треногу с металлической головкой, на которую устанавливается теодолит и с помощью станового винта скрепляется с ней. Отвес служит для совмещения проекции вертикальной оси вращения теодолита с вершиной геодезического пункта.

Такая установка прибора называется центрирование. Буссоль применяется для измерения магнитного азимута.

• КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕОДОЛИТОВ

Теодолиты классифицируются по конструкции осей горизонтального круга, точности и ряду других параметров.

По конструкции теодолиты делятся на повторительные и простые. У повторительных теодолитов лимб и алидада имеют независимое и совместное вращение. У простых теодолитов лимб может поворачиваться, но совместного вращения с алидадой не имеет.

По точности теодолиты делятся на:

• высокоточные – Т1;

• точные – Т2, Т5;

• технические – Т15, Т30, Т60.

В обозначении теодолита цифрами указана средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла одним приемом (табл. 10).

Таблица 10

Технические характеристики теодолитов

Показатель	3Т2КП	3Т5КП	4Т15П	2Т30П
Средняя квадратическая погрешность измерения угла одним приемом:
горизонтального	2″	5″	15″	20″
вертикального	3″	7″	20″	30″
Увеличение, крат	30	30	25	20
Поле зрения, градус	1° 35	1° 35	1° 30	2°
Наименьшее расстояние визирования, м	0,9	0,9	1,0	1,2
Коэффициент дальномера	100	100	100	100±5
Цена деления уровня при алидаде круга:
горизонтального	15″	30″	45″	45″
вертикального	–	–	–	–
Масса теодолита, кг	4,7	4,3	3	2,3

Высокоточный теодолит Т1 предназначен для угловых измерений в государственных геодезических сетях 1-го и 2-го классов, а также при производстве высокоточных геодезических работ в строительстве.

Точные теодолиты Т2 и Т5 применяют при создании плановых государственных геодезических сетей 3-го и 4-го классов и геодезических разбивочных работах в строительстве.

Технические теодолиты Т15 и Т30 используют при развитии съемочных сетей и производстве съемок.

В настоящее время выпускаются модификации этих теодолитов. Обозначение усовершенствованных теодолитов начинается с номера модификации, например 2Т30, 4Т30, 3Т5.

В некоторых типах теодолитов на вертикальном круге установлен компенсатор, устройство, замеряющее уровень при алидаде вертикального круга и автоматически приводящее отсчетный индекс алидады в горизонтальное положение. Такие теодолиты имеют в своем обозначении букву К, например 3Т5К, Т15К.

В настоящее время применяются зрительные трубы с прямым изображением. В обозначении таких теодолитов введена буква П, например 2Т30П.

• ЗРИТЕЛЬНАЯ ТРУБА

Одной из частей теодолита является зрительная труба, служащая для наблюдения удаленных предметов.

Зрительная труба состоит (рис.30) из объектива 1, окуляра 5, фокусирующей линзы 2, сетки нитей 4 и кремальеры 3.

Рис. 30. Устройство зрительной трубы: 1) объектив; 2) фокусирующая линза; 3) кремальера; 4) сетка нитей; 5) окуляр; 6) юстировочные винты сетки нитей

Лучи, идущие от удаленного предмета, проходя через объектив и фокусирующую линзу, дают уменьшенное изображение предмета. С помощью окуляра это изображение получают увеличенным. Плоскость, в которой получается увеличенное изображение предмета, называется фокальной.

В фокальной плоскости находится приспособление для наведения на предмет – сетка нитей (рис.31), которая представляет стеклянную пластинку с нанесенными штрихами. Сетку нитей помещают в металлическое кольцо (диафрагму) и закрепляют юстировочными винтами 6 (рис.30). Вращением их, при необходимости, можно изменить положение сетки нитей.

Точка пересечения штрихов сетки нитей называется перекрестием сетки нитей зрительной трубы. Два горизонтальных коротких штриха сетки нитей, расположенных выше и ниже перекрестия сетки, называются дальномерными штрихами и служат для определения расстояния. Обычно у теодолитов одна половинка вертикальной нити вместо одного имеет два вертикальных штриха, которые образуют биссектор. При наблюдении удаленных предметов их изображение устанавливают в середину биссектора.

Прямая, соединяющая оптический центр объектива с центром сетки нитей, называется визирной осью зрительной трубы.

Установка зрительной трубы для наблюдений состоит из установки «по глазу» и «по предмету». Установка трубы «по глазу» заключается в получении четкого изображения сетки нитей. Для этого трубу наводят на светлый фон и перемещением окулярного кольца добиваются отчетливого изображения сетки нитей. Установка трубы «по предмету» заключается в получении четкого изображения наблюдаемого предмета. Это достигается перемещением фокусирующей линзы в трубе при помощи кремальеры 3 до получения отчетливого изображения предмета.

При недостаточно тщательной фокусировке трубы изображение предмета не будет совпадать с плоскостью сетки нитей. В этом случае при перемещении глаза относительно окуляра перекрестие сетки нитей будет проектироваться на разные точки изображения (кажущееся перемещение предмета). Такое явление называется параллаксом. Параллакс сетки нитей устраняется более тщательным фокусированием трубы с помощью кремальеры.

Увеличением зрительной трубы называется отношение угла a, под которым изображение предмета видно в трубу, к углу b, под которым предмет виден невооруженным глазом (рис. 32):

.

(63)

Практически увеличение трубы принимают равным отношению фокусных расстояний f_об объектива и f_ок окуляра:

.

(64)

Зрительные трубы геодезических приборов имеют увеличение от 18 до 40 крат.

Полем зрения трубы называется пространство, видимое в трубу при неподвижном ее положении. Поле зрения определяется углом e (рис.33), вершина которого находится в оптическом центре объектива, а стороны опираются на диаметр ab сеточной диафрагмы. Значение угла e определяется по формуле

.

(65)

В современных геодезических приборах поле зрения трубы колеблется от 1° до 2°.

Рис. 33. Схема определения поля зрения трубы

Точность визирования Т_виз зрительной трубы вычисляется из соотношения:

,

(66)

где D – критический угол зрения, зависящий от условий наблюдения и типа визирной цели; u – увеличение зрительной трубы.

Из исследований установлено, что значение D изменяется в пределах от 15˝ до 60" и более.

Изменение D обусловлено состоянием атмосферы, освещенностью, расстоянием до цели. Для технических теодолитов критический угол зрения принимают равным 60".

Для приведения осей или плоскостей геодезических приборов в горизонтальное или отвесное положение применяются уровни двух типов: цилиндрические и круглые.

Цилиндрический уровень (рис.34) представляет собой стеклянную ампулу 1, внутренняя поверхность которой ошлифована по дуге определенного радиуса. Радиус кривизны ампулы, в зависимости от назначения, меняется от 3,5 до 200 м. Стеклянная ампула уровня, запаянная с одного конца, заполняется эфиром, нагретым до 60°C, и запаивается с другого конца. После охлаждения жидкость сжимается, и образуется небольшое пространство, заполненное парами эфира, которое называется пузырьком уровня 4.

Ампулу помещают в металлическую оправу 2, снабженную одним или двумя исправительными винтами 5, и прикрепляют к прибору.

На наружной поверхности ампулы через 2 мм наносят деления. Точка 0 в средней части ампулы называется нуль-пунктом уровня.

Прямая UU, проходящая через нуль-пункт уровня и касательная к дуге продольного сечения ампулы, называется осью цилиндрического уровня.

Пузырек уровня всегда стремится занять наивысшее положение. Поэтому, когда концы пузырька расположены симметрично относительно нуль-пункта, ось уровня занимает горизонтальное положение.

Центральный угол t, соответствующий одному делению шкалы, называется ценой деления уровня.

,

(67)

где l – расстояние между штрихами шкалы, равное 2 мм;

p" = 206265";

R – радиус дуги уровня.

Из формулы (63) следует, что чем больше R, тем цена деления уровня меньше, и уровень чувствительнее. Чувствительностью уровня называется наименьший угол, на который следует наклонять его ось, чтобы пузырек переместился на едва заметную невооруженным глазом величину. Наименьшее смещение пузырька уровня составляет 0,1t. В современных приборах пузырек уровня устанавливают в нуль-пункт с ошибкой 0,2 - 0,3t. Цена деления цилиндрических уровней, применяемых в теодолитах, составляет 10" - 60" в зависимости от назначения прибора.

Круглый уровень (рис.35) представляет стеклянную ампулу круглой формы, внутренняя верхняя поверхность которой является сферой определенного радиуса. За нуль-пункт 0 круглого уровня принимают центр окружности, нанесенной на поверхность ампулы.

Осью круглого уровня называется нормаль к сферической поверхности ампулы, проходящая через нуль-пункт круглого уровня. Цена деления круглого уровня составляет 2′ - 10′. Эти уровни применяют для предварительной установки приборов.

Для более точной установки пузырька уровня в нуль-пункт, а, следовательно, и осей приборов в горизонтальное положение применяют контактный уровень (рис.36). Контактный уровень – это цилиндрический уровень с системой призм, позволяющих получить совмещенное изображение концов его пузырька. Система состоит из двух призм 1 и 2, закрепленных над средней частью ампулы и прямоугольной призмы 3. Изображение концов пузырька уровня с помощью призм передается в поле зрения окуляра зрительной трубы или рассматривается через лупу, установленную перед призмой 3.

Призмы 1 и 2 перекрывают половину уровня, поэтому в поле зрения видно раздвоенное изображение концов пузырька. Установка пузырька контактного уровня в нуль-пункт достигается совмещением изображений его концов. При совмещенных изображениях концов пузырька ось уровня устанавливается горизонтально. Точность установки контактного уровня в 4 раза превышает точность установки обычного уровня.

При измерении углов теодолитом снимают отсчеты по лимбам горизонтального и вертикального кругов.

Оцифровку делений лимба выполняют через определенные промежутки, которые называются ценой деления лимба. Цена деления лимба зависит от точности теодолита. Для оценки долей делений лимба служат отсчетные устройства: в теодолитах с металлическими лимбами – верньеры, со стеклянными лимбами – отсчетные микроскопы. Отсчетным микроскопом называется оптическая система, дающая изображение горизонтального и вертикального лимбов в окуляре микроскопа. В теодолитах технической точности Т5 используются штриховые и шкаловые микроскопы.

В поле зрения штрихового микроскопа теодолита Т30 (рис.37,а) видны штрихи горизонтального (Г) и вертикального (В) кругов. Оцифровка делений лимба выполнена через 1°, цена деления лимба 10′. Отсчет по горизонтальному и вертикальному кругам выполняется относительно общего для обоих кругов индекса с оценкой десятых долей деления на глаз. Для схемы рис.37,а отсчет по горизонтальному кругу равен 35°06′, отсчет по вертикальному кругу – 356°46′.

Более точные отсчеты дает шкаловой микроскоп. На рис.37,б изображено поле зрения шкалового микроскопа теодолита 2Т30П. Цена деления лимба горизонтального и вертикального кругов равна 1°. Для оценки долей лимба применяется шкала, длина которой равна одному делению лимба. Шкала содержит 12 делений, и, следовательно, одно деление соответствует 60′:12 = 5′. Далее деления шкалы оцениваются на глаз с точностью до 0,1 деления, что соответствует 0,5′. Индексом для отсчитывания служит оцифрованный штрих лимба, находящийся в пределах шкалы. На рис.37,б показан отсчет по лимбу горизонтального круга, равный 125°07′0”.

Шкала вертикального круга имеет двойную оцифровку. В верхнем ряду деления выражают от нуля слева направо. В нижнем ряду деления имеют знак минус, и счет идет справа налево. Если в пределах шкалы находится штрих лимба, имеющий положительное значение, то отсчет берут по верхнему ряду. По нижнему ряду снимают отсчет, когда штрих лимба в пределах шкалы имеет отрицательный знак. На рис.37(б) отсчет по лимбу вертикального круга равен – 0°37′0.

• УСТРОЙСТВО ТЕОДОЛИТОВ

При производстве инженерно-геодезических работ в строительстве чаще всего применяют теодолиты типа 2Т30П и Т15К.

Теодолит 2Т30П предназначен для измерения горизонтальных и вертикальных углов в теодолитных и тахеометрических ходах, при производстве разбивочных работ, а также для нивелирования горизонтальным лучом с помощью уровня при трубе.

Теодолит 2Т30П является повторительным, имеет зрительную трубу с прямым изображением (рис.38). Подставка 21 прибора скреплена с помощью пружинистой пластинки с основанием 24, которое одновременно служит дном футляра. Это уменьшает массу прибора и позволяет, закрыв теодолит футляром, не снимая его со штатива, переходить с точки на точку. Теодолит скрепляют со штативом становым винтом. Внутри станового винта находится крючок для подвешивания нитяного отвеса, с помощью которого центрируют теодолит. Кроме того, вертикальная ось теодолита полая, что позволяет центрировать теодолит над точкой местности с помощью зрительной трубы, установленной вертикально.

Вертикальную ось теодолита устанавливают в отвесное положение подъемными винтами 22 по цилиндрическому уровню 9. Для регулировки уровня служат исправительные винты 7. У теодолита 2Т30П нет цилиндрического уровня при вертикальном круге. Его заменяет цилиндрический уровень при горизонтальном круге. При измерении угла наклона пузырек уровня приводят в нуль-пункт подъемными винтами.

Зрительная труба теодолита соединена с вертикальным кругом и скреплена с колонками 4. Для приближенной наводки трубы на цель служит оптический визир 3. Визир состоит из линзы и стеклянного диска с крестом. При использовании визира глаз располагают на расстоянии 10-15 см от окуляра, и наблюдатель совмещает изображение креста с визирной целью. Точное наведение зрительной трубы на цель осуществляется вращением наводящих винтов алидады 20 и трубы 19 при закрепленном положении винтов 10 и 2. Установку трубы по глазу выполняют вращением диоптрийного кольца 18, а установку по предмету – кремальеры 1.

Горизонтальный и вертикальный круги теодолита разделены через 1°. Горизонтальный круг имеет круговую оцифровку, а вертикальный – от 0° до 75° и от 0° до – 75°. Изображение штрихов и цифр обоих кругов передается в поле зрения микроскопа 11 с помощью оптической системы (рис. 39).

Для освещения отсчетного устройства используют зеркало 12 подсветки. Оптимальное освещение достигают поворотом и наклоном зеркала. Четкость изображения штрихов лимба устанавливают вращением диоптрийного кольца 11 окуляра микроскопа. Точность отсчитывания по штриховому микроскопу составляет 0.5′ (рис. 37, б).

Рис. 39. Оптическая схема теодолита 2Т30П: 1) зеркало подсветки; 2) иллюминатор; 3) вертикальный круг; 4,8,10,12) призмы; 5 и 6) линзы объектива; 7) горизонтальный круг; 9) объектив горизонтального круга; 11) конденсатор; 13) объектив микроскопа; 14) окуляр микроскопа

Теодолит может быть использован как нивелир, для чего к зрительной трубе теодолита прикреплен цилиндрический уровень. Визирная ось трубы приводится в горизонтальное положение по уровню наводящим винтом 9.

Теодолит Т15К предназначен для измерения горизонтальных и вертикальных углов в теодолитных и тахеометрических ходах, при изыскании, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

Теодолит Т15К – оптический шкаловый теодолит с повторительной системой вертикальной оси. Устройство теодолита Т15К аналогично устройству теодолита 2Т30 с некоторыми отличиями.

Закрепительные винты алидады горизонтального круга и зрительной трубы куркового типа и расположены соосно с наводящими винтами.

Отсчитывание производится по шкаловому микроскопу с ценой деления 1' и точностью отсчитывания 0,1′. Средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла составляет 15", а вертикального угла – 20".

Теодолит Т15К снабжен оптическим центриром, вмонтированным в алидадную часть. Оптический центрир представляет ломаную зрительную трубу. В поле зрения центрира находится сетка нитей в виде двух окружностей. При центрировании теодолита центр окружности совмещают с центром геодезического пункта.

Технические данные теодолита 4Т15П приведены в таблице 10.

• ПОВЕРКИ И ЮСТИРОВКИ ТЕОДОЛИТА

При получении теодолита с завода, склада или из другой организации необходимо выполнить технический осмотр и поверки прибора.

При техническом осмотре теодолита следует:

• проверить комплектность прибора в соответствии с паспортом;

• проверить наличие механических повреждений теодолита и футляра;

• установить чистоту поля зрения трубы и микроскопа наблюдением через окуляры;

• проверить работу фокусирующего устройства наведением трубы с помощью кремальеры на близлежащие и удаленные точки;

• проверить плавность вращения зрительной трубы, алидады, лимба при открепленных закрепительных винтах и надежность закрепления этих частей соответствующими закрепительными винтами;

• проверить работу наводящих и подъемных винтов.

Неисправности теодолита устраняют в мастерской.

Далее необходимо проверить жесткость штатива. С этой целью теодолит устанавливают на штатив и наводят трубу на точку. Прилагая к штативу усилия в горизонтальной плоскости, смещают сетку нитей в одну, а затем в другую сторону. Если после снятия усилия перекрестие сетки нитей не вернется на точку, то следует закрепить винты головки штатива.

Положение осей теодолита должно удовлетворять определенным геометрическим условиям. Установление правильности выполнения геометрических условий теодолита называется поверкой.

Устранение обнаруженных несоответствий называется юстировкой.

Рассмотрим основные геометрические условия, предъявляемые к теодолиту, и методику поверки и юстировки теодолита.