Угломерный геодезический инструмент, с помощью которого измеряют углы в горизонтальной и вертикальной плоскости, называемые соответственно горизонтальными и вертикальными. Совместно с измерениями расстояний между точками, дальнейшими вычислениями и уравниванием получают конечный результат в виде пространственных координат снимаемых точек.
Теодолиты имеют свою историю развития. Изначально его конструкция представляла механическое устройство с металлическим угломерным кругом (лимбом), с дополнительным отсчетным приспособлением (верньером), со зрительной трубой. С появлением стеклянных круговых лимбов, оптической системы передачи и считывания угловых отсчетов (микроскопа) возникла эра оптических теодолитов. При возникновении новых электронно-вычислительных технологий в геодезическое приборостроение стали внедряться новые типы теодолитов, называемые электронными. В них применяется двоичная система кодирования отсчетов на лимбе с передачей цифровой информации угловых измерений на экран дисплея.
В настоящее время применение оптических теодолитов, из-за слабой конкурентной способности с новейшими электронными тахеометрами, можно считать прикладным. Возможно, в будущем они сами станут историей. Но сейчас они могут использоваться:
- в северных регионах с экстремально низкими температурными условиями в зимнее время, в которых не всякая электронная техника срабатывает;
- в подземном шахтном строительстве с опасными и вредными внешними факторами;
- при разбивочных работах в строительстве малоэтажных зданий и подземных инженерных коммуникаций;
- для выполнения отдельных геодезических процессов с использованием геометрических возможностей прибора (выставление опалубочных, железобетонных и металлических всевозможных конструкций, исполнительных съемок);
- возможно и другое применение, связанное с решением различных задач инженерной смекалкой.
Классификации и виды теодолитов
В соответствии с государственными стандартами все теодолиты согласно конструктивной точности измерений именно горизонтальных углов делят на группы:
- высокоточных (Т1, ТБ1), со среднеквадратической погрешностью (СКП) измерения одиночного угла не более одной секунды;
- точных (Т2, Т5) со СКП не более пяти секунд;
- технической точности (Т15, Т30), к которой относятся все другие угломерные инструменты.
В связи с конструктивными особенностями приборов в номенклатуре теодолитов после значений СКП указываются буквенные символы, означающие соответствующий тип инструмента:
- 2Т5К, с компенсатором;
- 4Т30П, с прямым изображением;
- 3Т2КА с автоколлимационным окуляром;
- 2Т30М, маркшейдерский;
- Т30, без буквенных обозначений означает традиционный инструмент с цилиндрическим уровнем при вертикальном круге.
В зависимости от конструкции элементов горизонтальных кругов, статического или вращающегося положения и взаимосвязи лимба и алидады можно выделить еще два вида инструментов:
- повторительные, дающие возможность лимбу вращаться или не вращаться совместно с алидадой вокруг оси, при закреплении алидады и откреплении лимба;
- не повторительные приборы только с закрепляющей функцией лимбов.
Каждый оптический теодолит можно также отнести к какому-то типу в зависимости от назначения его применения:
- геодезический;
- маркшейдерский;
- астрономический;
- тахеометр, которыми были теодолиты с маркировкой ТТ и такие модели Т5, Т30.
Правильная эксплуатация
Соблюдение правил эксплуатации теодолита позволит не допустить серьёзных ошибок при проведении измерений. Эти правила включают последовательность действий на различных этапах эксплуатации аппарата:
- во время хранения;
- при подготовке к работе;
- во время проведения измерений;
- последовательность оценки полученных результатов;
- порядок сборки теодолита после работы.
Особое внимание следует уделять всем этим правилам в особых условиях окружающей среды: температуре, влажности, силе ветра, освещённости. Практически все теодолиты имеют интервал разрешённых для эксплуатации температур от -25 °С до +50 °С любой влажности. Однако следует помнить, что слишком низкие или высокие температуры влияют на точность снимаемых показаний.
Устройство теодолита
Все группы теодолитов имеют практически одну принципиальную схему своей конструкции. В нее входят такие основные части:
- основание с подставкой, на котором закреплена вращающаяся часть инструмента;
- собственно вращающаяся часть, состоящая из нижнего горизонтального круга с цилиндрическим уровнем, двух вертикальных колонок (одна с вертикального кругом и компенсатором наклона), зрительной трубы и микроскопа отсчитывания.
Более детальное строение подробно изображено на Рис.1. Внешний вид оптического теодолита Т30. Каждый отдельный узел у него имеет свое назначение и взаимоувязан геометрическими и конструктивными связями.
Металлическая широкая площадка (1), служит для крепления инструмента на штативе с помощью станового винта.
Горизонтальный круг (2) в нижней части корпуса прибора состоит из отсчетного механизма (алидады) с закрепительным винтом (3), микрометренного винта (4) наведения, цилиндрической ампулы горизонтального уровня (5) служит для вращения на 360º.
Вертикальный круг (19), представляющий единое целое с вертикальной стойкой (12), содержит в себе отсчетное приспособление с зеркалом подсветки (16) и паз для фиксации буссоли (18). Имеет своим предназначением измерять вертикальные углы (наклона).
На второй вертикальной стойке установлен закрепительный винт (8), кремальера (7) для фокусирования изображения и микрометренный винт вертикального круга (6) для точного выведения зрительной трубы.
В состав зрительной трубы, конструктивно закрепленной между двух стоек, входят визир (9), окуляр в виде линзы для просмотра изображения в поле зрения трубы (10), окуляра отсчетного микроскопа (11) и объектива (17). Она предназначена для наведения на визирные цели.
В конструкции трегера (21), содержащего подъемные винты (15), находятся лимб в виде круглого кольца с размеченными делениями на его шкале (13), его закрепительный (14) и микрометренный (20) винты.
Рис.1.Внешний вид оптического теодолита Т30
Оптические теодолиты, основное предназначение которых в измерении углов, представляют конструктивную схему, состоящую из трех систем:
- измерительной;
- наведения;
- ориентирования.
В систему ориентирования входят геометрические взаимные связи отвесного и горизонтального положения между осями вращения инструмента, уровнями и отвесами.
Система наведения включает в себя вращающиеся механизмы, геометрию и оптику зрительной трубы.
Система измерений представляет вертикальный и горизонтальный круги со шкалами обоих лимбов, отсчетных приспособлений алидады и оптического микроскопа.
Как пользоваться тахеометром
При использовании тахеометров обычно требуются два рабочих: один управляет самой станцией и выполняет измерения, а другой перемещается в положение точки, на которую наведена станция.
Этот рабочий обычно снабжен стержнем-стержнем с отражающей призмой, от которой луч отражается обратно в тахеометр. Такие устройства называются двухместными тахеометрами.
Однако самые современные устройства уже рассчитаны на работу одним работником, так называемые роботизированные тахеометры, обслуживаемые одним человеком.
- В роботизированном режиме они могут измерять расстояния без отражения или самостоятельно нацеливаться на измеряемую точку.
- В настоящее время тахеометры все чаще используются вместе или вообще заменяются точными геодезическими устройствами GPS.
Но есть виды деятельности, в которых невозможно обойтись без теодолита. Например, при измерении и разграничении границ собственности в лесных или густо застроенных областях, точном разграничении периметра кирпичной кладки и перегородок на зданиях или измерения трехмерных координат в интерьерах.
Система измерений теодолита
Представляет собой механизм считывания со шкалы недвижимого кольца лимба относительно штриха подвижной алидады угловых отсчетов и передачи через оптическую систему в окуляр микроскопа. Считывание ведется в одних моделях приборов по горизонтальному и вертикальному кругу по одной стороне лимба (односторонняя система), а в других инструментах по двум сторонам (двухсторонняя). Штриховой микроскоп с односторонней системой считывания показан на Рис.2. Отсчеты вертикального и горизонтального угла.
Рис.2. Отсчеты вертикального и горизонтального угла.
В разных теодолитах в зависимости и от их точности, и от конструктивных особенностей отсчетные устройства могут быть и другого вида: шкаловые микроскопы, оптические микрометры.
Электронные тахеометры
От оптических или цифровых теодолитов был лишь шаг к созданию устройства, которое сейчас обычно называют тахеометром.
В отличие от теодолита, тахеометр использует луч света для измерения расстояний с точностью до миллиметров, а дальность действия такого дальномера в километрах. Таким образом, электронный теодолит, дополненный лазерным дальномером, называется тахеометром.
Тахеометр позволяет работать с горизонтальными углами, углами возвышения, расстояниями и выполняет преобразование в прямоугольные координаты.
- Расстояние определяется с точностью до миллиметра благодаря встроенному световому дальномеру.
- Измеренные значения сохраняются в памяти и могут быть переданы в компьютер для дальнейшей обработки.
- Также можно импортировать данные координат в устройство, а также построить и стабилизировать их в полевых условиях.
Система наведения теодолита
Состоит из зрительной трубы и связанными с ней микрометренными винтами для точного наведения на цель наблюдения. Сама зрительная труба представляет металлический корпус, оптическую систему, состоящую из объектива (1) с окуляром (2), сетки нитей (5), фокусировочной линзы (3) с кремальерой (4). Оптическая схема основной детали устройства наведения показана на Рис.3. Зрительная труба.
Рис.3. Зрительная труба.
Визирование на удаленные точки осуществляется через линзу окуляра и фокусирование изображения с помощью винта или кольца кремальеры, передвигающей внутреннюю фокусировочную линзу. При появлении четкого изображения в объективе точное наведение на цель выполняют с применением сетки нитей, видимость которой регулируется диоптрийным кольцом. Линия, невидимо проходящая через центры окуляра и объектива, считается визирной осью. Соответствие ее положения конструктивным и геометрическим условиям относительно осей других узлов оптического прибора проверяется выполнением рабочих испытаний инструмента.
Рис.4. Устройство сетки нитей (а) и изображение в поле зрения окуляра в приборах Т30 (б), Т30М (в).
Исторический экскурс
Теодолиты использовались в землеустройстве, геодезии с 19 века для измерения пространственных координат. В отличие от более простого оптического уровня, они оснащены двумя взаимно перпендикулярными осями вращения и перпендикулярными линиями визирования.
С этой точки зрения конструкция современных цифровых теодолитов никак не изменилась. Точно так же условие состоит в том, чтобы измеренная точка была видна через теодолитовый телескоп.
Поскольку теодолит определяет 3 пространственные координаты, необходимо, чтобы каждый теодолит был также оснащен дальномером. Оборудованный таким образом теодолит называется тахеометром и позволяет одновременно определять горизонтальное направление, вертикальный угол и расстояние.
Измеренные координаты переводятся в прямоугольные с помощью ручных тригонометрических функций вручную (в прошлом веке) или с помощью программного обеспечения современных приборов.
Испытания и поверки теодолита
Получив прибор в эксплуатацию, необходимо обязательно провести испытания на соответствие его рабочим характеристикам. С каждым из них в укладочной коробке должна быть инструкция по эксплуатации или паспорт с техническими параметрами, комплектованием, устройством и особенностями данной конкретной модели, техническими и регламентными работами по обслуживанию, поверками, способами их проведения, юстировок и исправления, позволяющими привести прибор в рабочее состояние. У каждой конкретной модификации инструмента существуют свои конструктивные особенности. И полученное руководство, поможет правильно разобраться с эксплуатационными особенностями, отсчетными устройствами и другими характерными деталями теодолита.
Независимо от того, имеется ли в паспорте прибора отметка о его метрологической проверке, необходимо самостоятельно провести стандартные поверки. Весь комплекс испытаний, как правило, записывается в специальный журнал поверок с их результатами. В стандартные поверки по соблюдению геометрических условий осевых элементов теодолита входят поверки:
- взаимодействия деталей;
- уровней, компенсатора;
- устойчивости штатива и подставки;
- наклона горизонтальной нити сетки нитей;
- отвесности оси оптического центрира;
- определение наклона горизонтальной оси прибора относительно вертикальной;
- определения коллимационной ошибки и места нуля;
- определение коэффициента нитяного дальномера;
- определение рена отсчетного устройства.
Периодически, помимо обычно ежегодной метрологической проверки, в течение года проводятся регламентные работы по техническому обслуживанию.
