1.2. Типы теодолитов
Теодолиты различаются по точности, способу отсчитывания по лимбу, по конструкции, назначению и другим признакам.
По точности теодолиты делятся на:
высокоточные, с помощью которых горизонтальный угол измеряется одним полным приемом со средней квадратической погрешностью от 0,5" до 1";
точные, позволяющие измерять горизонтальный угол одним приемом со средней квадратической погрешностью от 2" до 15";
технические - со средней квадратической погрешностью от 20" до 60".
Средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла указывается в шифре теодолита цифрами, например, Т2, Т5, Т30. В случае применения зрительной трубы с прямым изображением в шифре теодолита добавляется буква П, например, 2Т30П - теодолит со средней квадратической погрешностью измерения горизонтального угла 30" и с трубой прямого изображения. Цифра 2 впереди шифра обозначает, что это теодолит второго поколения, то есть более совершенный, чем теодолит марки Т30.
Теодолит Т5 выпускается в двух вариантах - с уровнем при вертикальном круге (шифр Т5) и без уровня при вертикальном круге, но с компенсатором (шифр Т5К). Компенсатор представляет собой линзу или призму, подвешенную на четырех тонких проволоках. При наклоне оси вращения теодолита (вертикальной оси) в небольших пределах (1-2') линза, сместившись под действием силы тяжести, сместит изображение делений вертикального круга таким образом, что отсчет по нему будет соответствовать отвесному положению оси вращения прибора, т.е. автоматически компенсирует наклон этой оси. Поэтому отсчет по вертикальному кругу при горизонтальном положении визирной оси будет равным или близким 0 даже при не строго отвесном положении оси вращения теодолита. Этот отсчет называют местом нуля, и точность его установки компенсатором определяется средней квадратической ошибкой 6".
По конструкции теодолиты делятся на повторительные и простые. У повторительных теодолитов лимб и алидада имеют раздельное и совместное вращение, что позволяет производить измерения горизонтальных углов путем откладывания значения угла на лимбе несколько раз (при измерении углов способом повторений). У простых теодолитов цилиндрическая вертикальная ось жестко скреплена с алидадой.
Ниже рассмотрим точный теодолит Т5, технический теодолит Т30 и их модификации, которые обычно используются в инженерно-геодезических работах.
Теодолит Т5 (рис.3) и его модификации (Т5К, 2Т5, 2Т5К) относятся к разряду точных, с повторительной системой вертикальной оси и отсчетным приспособлением в виде шкалового микроскопа с ценой деления шкалы 1', позволяющим производить отсчеты с точностью 0,1'(6"). Система отсчитывания односторонняя. Увеличение трубы 27х, пределы визирования от 2 м до бесконечности, цена деления цилиндрического уровня 30".
В теодолите Т5 при вертикальном круге имеется цилиндрический уровень, в теодолитах Т5К и его модификациях уровня при вертикальном круге нет, его заменяет компенсатор. Если на вертикальном круге теодолита Т5К установить отсчет, равный месту нуля, визирная ось трубы будет горизонтальна, и теодолит можно использовать как нивелир.
Горизонтальный круг (лимб) может быть скреплен с алидадой или отсоединен от нее с помощью специальной защелки повторительного устройства. Когда необходимо повернуть лимб вместе с алидадой, нажимают на клавишу защелки 5 (рис.3). Для того, чтобы горизонтальный круг оставался неподвижным, его отсоединяют от алидады нажатием на фиксатор защелки. На подставке зрительной трубы расположены закрепительный и микрометренный винты 3. В верхней части подставки с вертикальным кругом расположено зеркало для подсветки оптической системы, передающей изображения делений одной стороны горизонтального и вертикального кругов в отсчетный микроскоп. Вращением диоптрийных колец окуляры микроскопа и трубы устанавливаются по глазу до отчетливой видимости шкалы микроскопа и сетки нитей трубы.
Все эти теодолиты имеют оптический центрир. Объектив центрира расположен внутри вертикальной оси, а окуляр 2 выведен наружу и расположен у одной из подставок зрительной трубы. Для предварительного центрирования приборов может быть использован обычный нитяный отвес.
Теодолит Т30 (рис.4) и его модификации (2Т30, 2Т30П) относятся к разряду технических, с повторительной системой вертикальной оси. Система отсчитывания односторонняя. Увеличение трубы 18х (Т30) и 20х (2Т30), пределы визирования от 1,2 м до бесконечности, цена деления цилиндрического уровня 45". Данные теодолиты применяются для прокладывания теодолитных и тахеометрических ходов, плановых и высотных съемок.
Рис.4. Теодолит Т30: 1 – основание; 2 – исправительный винт цилиндрического уровня; 3, 4 – закрепительный и наводящий винты алидады; 5 – цилиндрический уровень; 6 – наводящий винт зрительной трубы; 7 – кремальера; 8 – закрепительный винт зрительной трубы; 9 – визир; 10 – окуляр зрительной трубы; 11 – окуляр отсчетного микроскопа; 12 – колонка; 13 – подставка; 14 – закрепительный винт лимба; 15 – подъемный винт
В теодолите Т30 отсчетное приспособление выполнено в виде штрихового микроскопа, позволяющего брать отсчеты с точностью 1', а в его модификациях (2Т30, 3Т30) - шкалового микроскопа тридцатисекундной точности. На зрительной трубе имеется оптический визир 9 (рис.4), в поле зрения которого виден светлый крест. Этот крест совмещается с предметом, который должен попасть в поле зрения зрительной трубы, но изображение предмета может быть размытым (иногда его изображение вообще не будет видно). Для получения четкого изображения предмета необходимо с помощью кремальеры 7 перемещать в трубе специальную фокусирующую линзу до тех пор, пока его изображение не станет четким. Зажимные винты зрительной трубы 8 и алидады горизонтального круга 3 закрепляются, и микрометренными винтами алидады горизонтального круга 4 и зрительной трубы 6 центр сетки нитей наводится на предмет. Отчетливость изображения сетки нитей получают вращением диоптрийного кольца окуляра трубы 10.
В теодолите Т30 подставка 13 жестко скреплена с основанием 1, служащим одновременно донцем футляра, что позволяет закрывать теодолит футляром, не снимая его со штатива. Ось вращения теодолита устанавливается в отвесное положение с помощью подъемных винтов 15 и цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга 5.
Полая вертикальная ось теодолита позволяет центрировать прибор над точкой местности с помощью зрительной трубы. Прибор снабжается окулярными насадками для зрительной трубы и микроскопа, которые применяют при наблюдении предметов, расположенных относительно горизонта под углом более 45 .
В теодолитах Т30 имеется только один цилиндрический уровень при алидаде горизонтального круга 5, который прикрепляется к подставке зрительной трубы параллельно визирной плоскости. Положение уровня изменяется юстировочными (исправительными) винтами 2. При алидаде вертикального круга уровня нет.
Теодолит по особому заказу может быть укомплектован ориентир-буссолью и уровнем, который прикрепляется к трубе для нивелирования горизонтальным визирным лучом. Обычно к зрительной трубе прикрепляют два визира. При установке уровня на трубе один из визиров должен быть снят.
1.3. Уход за теодолитами
Теодолиты относятся к сложным оптико-механическим приборам. Для обеспечения их надежной работы необходимо бережное обращение с ними и постоянный уход. Перед использованием теодолита для наблюдений необходимо проверить общее состояние прибора, состояние оптических поверхностей и ампул уровней, наличие указанных в паспорте принадлежностей в комплекте. Далее проверяют вращение алидады и зрительной трубы, работу переключателя отсчетной системы, зажимных и отсчетных устройств, окуляров, кремальеры, плавность вращения подъемных винтов.
Разборка и чистка внутренних частей теодолита требует определенных навыков, наблюдатель же может выполнить несложные операции, особенно осторожно следует выполнять чистку просветленной оптики теодолита, которая особенно чувствительна к механическим повреждениям.
Во время производства наблюдений прибор рекомендуется защищать от нагрева солнцем и непосредственного воздействия осадков. Если теодолит попал под дождь, его необходимо обсушить и протереть мягкой салфеткой, не допуская сушку теодолита вблизи источников тепла.
При внесении теодолита с холода в теплое помещение футляр необходимо оставить закрытым в течение часа, а потом постепенно приоткрывать, обеспечивая плавный переход от холода к теплу. Перевозить и переносить теодолит нужно только в вертикальном положении, предварительно убедившись в надежном закреплении прибора в упаковке.
1.4. Угловые измерения
Перед началом наблюдений следует проверить взаимодействие подвижных частей теодолита. Рекомендуется сделать несколько поворотов алидады, следя за положением пузырька уровня, и, в случае необходимости, произвести юстировку уровня.
Для компенсации погрешностей рекомендуется все операции в полуприеме выполнять однообразно, алидаду вращать в полуприеме только в одном направлении, в разных же полуприемах алидаду необходимо вращать в противоположном направлении. Отсчеты рекомендуется производить без остановок и задержек, так как задержки иногда приводят к плохим результатам. Не следует излишне затягивать зажимные винты алидады и трубы, а окончательное наведение трубы осуществлять однообразным вращением, лучше ввинчиванием. Всегда необходимо пользоваться средней частью винтовой нарезки всех наводящих устройств. Надо следить за тем, чтобы алидада вращалась без рывков и заметных усилий, избегать возвратных движений алидады. После наведения на предмет не прилагать к трубе, подставкам трубы и алидаде каких-либо усилий, которые могут вызвать смещение частей теодолита.
При измерении горизонтальный угол определяется как разность отсчетов по горизонтальному кругу
,
где З - отсчёт по горизонтальному кругу при наблюдении задней точки, П - отсчет при наблюдении передней точки.
Так как деления на горизонтальном круге подписаны с возрастанием по часовой стрелке, то отсчет на заднюю точку должен быть всегда больше отсчета при наблюдении передней точки. В случае, если нулевое деление на горизонтальном круге размещается внутри измеряемого угла, отсчёт на заднюю точку будет меньше отсчёта на переднюю точку, тогда для получения величины угла к заднему отсчету необходимо добавить 360 .
При измерении горизонтального угла теодолит ставится над вершиной измеряемого угла: центрируется и горизонтируется. Центрирование и горизонтирование взаимно зависимы, поэтому после горизонтирования необходимо проверить центрирование и, если нужно, произвести исправление, а затем проверить горизонтирование.
Наиболее распространены в инженерной практике следующие способы измерения горизонтальных и одновременно вертикальных углов: приемов, круговых приемов, повторений. Измерение вертикальных углов значительно проще, чем измерение горизонтальных углов. Во-первых, горизонтальный угол есть разность измерений двух направлений, вертикальный же угол определяется одним направлением относительно некоторой фиксированной линии или плоскости, чаще горизонтальной; во-вторых, горизонтальный угол измеряется на различных участках круга, а вертикальный круг чаще всего перестановок не имеет; в-третьих, число приемов при измерении вертикальных углов значительно меньше, чем при измерении горизонтальных углов.
Наиболее часто при измерении горизонтальных углов применяются способ приемов и способ повторений. Когда из вершины выходит более двух направлений, применяется способ круговых приемов.
В способе приемов горизонтальный угол измеряется двумя самостоятельными полуприемами - при "круге лево" (Л) и при "круге право" (П). Наводят центр сетки нитей зрительной трубы при Л на заднюю точку и берут отсчет по горизонтальному кругу, затем, открепив алидаду горизонтального круга, центр сетки нитей трубы наводят на переднюю точку и тоже берут отсчет по горизонтальному кругу. На этом первый полуприем закончен. Величина угла в полуприеме определяется как разность отсчетов по горизонтальному кругу - заднего и переднего. Необходимо помнить, что отрицательных горизонтальных углов не бывает и, в случае отрицательного значения разности следует добавить полную окружность, т.е. 360 .
При выполнении второго полуприема необходимо "сбить лимб". Закрепительный винт подставки теодолита (лимб) открепляется, лимб поворачивается вокруг оси на 90 , при закрепленной алидаде горизонтального круга. Затем труба переводится через зенит (поворачивается вокруг горизонтальной оси на пол-оборота) и при П наводится на переднюю точку (лимб закреплен, а алидада открепляется и теодолит поворачивается вокруг оси в нужном направлении). В предыдущем полуприеме наблюдения закончились на передней точке, и труба отфокусирована на эту точку. Целесообразно, чтобы не делать лишнюю фокусировку трубы, наблюдения во втором полуприеме начинать с передней точки. Берут последовательно передний и задний отсчеты по горизонтальному кругу и определяют величину горизонтального угла во втором полуприеме.
Значения угла, полученные в каждом из полуприемов, должны различаться между собой не более чем на двойную точность теодолита (для Т30 – 2', для 2Т30 - 1'). Если это различие более допустимого, результаты измерений угла признаются неудовлетворительными, и измерения продолжаются до получения разницы значений в полуприемах в пределах допуска. За окончательное значение принимается среднее арифметическое из значений угла, полученных в двух полуприемах.
Если при какой-либо точке (вершине) требуется измерить несколько горизонтальных углов, то применяют способ круговых приемов. Отцентрировав теодолит над вершиной и приведя его в рабочее положение, трубу наводят на точку начального направления при Л и производят отсчет по горизонтальному кругу, который записывается в журнал. Вращением алидады по часовой стрелке трубу наводят на точки следующих направлений и записывают каждый раз соответствующий отсчет. Расхождение начального и конечного отсчетов на точку начального направления не должно превышать двойную точность теодолита, что гарантирует неподвижное положение лимба. На этом заканчивается первый полуприем.
Переведя трубу через зенит, ее снова наводят на точку начального направления, но уже при П, берут отсчет и, вращая алидаду против часовой стрелки,последовательно наводят трубу на точки следующих направлений и записывают соответствующие отсчеты по горизонтальному кругу. Этими наблюдениями заканчивается второй полуприем. Два же полуприема составляют один прием. Таких приемов может быть несколько. Между приемами лимб "сбивают" на угол 180 /n, где n-число приемов.
Обработка наблюдений сводится к вычислению средних отсчетов на каждую наблюдаемую точку при Л и П, при этом градусы записывают те, которые были получены в первом полуприеме. После этого определяют средний из средних отсчетов, полученных при наблюдении начального направления. Затем данный средний отсчет вычитают из средних отсчетов, вычисленных для точек следующих направлений, и получают, так называемые приведенные направления, которые являются углами между направлениями.
Дополнительным контролем измерения углов является постоянство значения двойной коллимационной ошибки, определяемой при Л и П. Колебания в значении двойной коллимационной ошибки допускаются в пределах двойной точности теодолита.
В способе повторений, как и в способе приемов, труба теодолита наводится на заднюю точку при Л, производится отсчет по горизонтальному кругу и записывается в журнал наблюдений. Открепив алидаду, трубу наводят на переднюю точку, при этом как только точка появится в поле зрения трубы, закрепительный винт алидады закрепляется, а окончательное наведение трубы на точку осуществляется микрометренными винтами алидады и трубы. Производится отсчет по горизонтальному кругу, который называется контрольным, и записывается в графу "примечания" с указанием номера (или обозначения) точки, на которую сделан отсчет.
После этого, при закрепленной алидаде, открепляется лимб, и труба наводится на заднюю точку, при этом окончательное наведение трубы на точку осуществляется микрометренными винтами лимба (подставки теодолита) и трубы. Отсчет по горизонтальному кругу не производится (он останется прежним).
Далее, открепив алидаду, труба снова наводится на переднюю точку, отсчет по горизонтальному кругу не производится. Важно помнить, что при откреплении алидады, окончательное наведение трубы на точку осуществляется микрометренными винтами алидады и трубы, а когда открепляется лимб, окончательное наведение трубы на точку осуществляется микрометренными винтами лимба и трубы.
Затем, при открепленном лимбе, труба наводится на заднюю точку в третий раз. Теперь открепляется алидада, и труба наводится на переднюю точку. Производится отсчет по горизонтальному кругу и записывается в соответствующую графу журнала. Вычитая из первого отсчета по горизонтальному кругу на заднюю точку последний отсчет на переднюю точку, получают трехкратное значение угла, которое делится на три (на число повторений). Так получают величину угла в полуприеме.
Для вычисления значения угла при Л необходимо к исходному отсчету на заднюю точку прибавить 360 столько раз, сколько раз указатель отсчетного микроскопа прошел мимо нуля лимба. Определить это легко, так как известно приближенное значение угла, которое получается как разность между первым отсчетом на заднюю точку и контрольным отсчетом на переднюю точку, который записан в графу “примечания”.
Во втором полуприеме (при П) угол измеряется на других частях лимба, для чего "сбивается лимб" (как и в способе приемов). Кроме того, если наблюдения при Л начинаются с задней точки, то при П наблюдения начинаются с передней. Если наведение трубы на заднюю точку при Лосуществлялось при открепленном лимбе, то теперь, при П, наведение трубы на заднюю точку осуществляется при открепленной алидаде, а наведение трубы на переднюю точку - при открепленном лимбе. Во втором полуприеме надобность в контрольном отсчете отпадает, так как предварительное значение угла уже известно.
Сделав отсчет на переднюю точку при П, после трехкратного повторения, когда при открепленной алидаде труба в третий раз будет наведена на заднюю точку, производится отсчет. Разность между последним и первым отсчетом даст трехкратное значение угла. Разделив его на три, получают величину угла во втором полуприеме (при П). За окончательное значение угла принимается среднее арифметическое из значений угла при Л и П, если эти значения отличаются друг от друга не более, чем на двойную точность теодолита. В рассмотренном случае было три повторения, в практике геодезических измерений повторений может быть больше, например четыре или шесть.
При измерении углов несколькими приемами, расхождение между значениями угла в различных приемах для теодолита Т2 может быть 10", для Т5 - 20", для Т30 – 1,5'.
1.5. Поверки теодолитов Т30 и 2Т30
Чтобы теодолит обеспечивал получение неискаженных результатов измерений, он должен удовлетворять соответствующим геометрическим и оптико-механическим условиям. Действия, связанные с проверкой этих условий, называют поверками. Если какое-либо условие не соблюдается, производят его исправление, т.е. юстировку.
Оптико-механические условия:
зрительные трубы, лупы и микроскопы должны иметь надлежащее увеличение и достаточное поле зрение, обеспечивать четкие изображения предметов наблюдения и отсчетных шкал;
подвижные части теодолита должны правильно и плавно перемещаться в соответствующих плоскостях.
Геометрические условия (рис.5):
ось цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга PQ должна быть перпендикулярна к вертикальной оси вращения теодолита MN;
визирная ось зрительной трубы CD должна быть перпендикулярна к горизонтальной оси ее вращения AB;
ось вращения зрительной трубы AB должна быть перпендикулярна к оси вращения теодолита MN.
Нарушение этих условий приводит к появлению систематических погрешностей при измерении углов. Для того, чтобы исключить влияние этих погрешностей на результаты наблюдений, теодолит подвергается, в соответствии [1], специальным поверкам. Все поверки имеют свой номер и выполняются в строгой последовательности, соответствующей их нумерации.
1.5.1. Проверка внешнего состояния и комплектности
Проверку внешнего состояния и комплектности теодолита проводят визуальным осмотром. При осмотре устанавливается соответствие теодолита следующим требованиям: маркировка прибора и футляра должна соответствовать требованиям ГОСТ 10529-86, а также технической документации на поверяемый теодолит; прибор и футляр не должны иметь механических повреждений, следов коррозии, препятствующих или затрудняющих работу с ними; теодолит должен иметь чистые поля зрения зрительной трубы и отсчетных устройств, а также четкие изображения визирных целей и отсчетных шкал; комплектность прибора должна соответствовать указанной в паспорте для данного вида работ.