Теодолит: поверки, устройство, измерение

Сегодня в самых разнообразных научных, промышленных и технических сферах проводятся работы, которые связаны с привязкой к местности разного рода объектов. При этом измеряются углы и расстояние до стационарного объекта. Эти измерения проводятся, когда необходимо подготовить стройплощадку, установить радиолокационную станцию, дивизион зениток, батарею орудий или провести географическую сьемку. Особенно важны эти координаты на аэродромах. Чтобы измерить их, используют разнообразные приборы, в том числе теодолит.

Что собой представляет теодолит

Данный прибор позволяет довольно точно измерять углы, как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Выглядит оно как оптический прибор U-образной формы, установленный на платформу в виде горизонтально размещенного круга делениями, которая вращается. У прибора есть также круг, который размещен вертикально, с аналогичными делениями. Сегодня производятся такие модели приборов, у которых в конструкции есть электроника, повышающая точность замеров.

Устройство теодолита

Это измерительное приспособление сконструировано на основе принципов оптики, механики и электроники. Главные его комплектующие такие:

• зрительная труба оптический элемент конструкции;
• круги, расположенные перпендикулярно друг к другу (по одному вертикально и горизонтально);
• микроскоп, позволяющий измерять необходимые параметры шкаловым или штриховым методами;
• штатив с возможностью регулировки, посредством которого устройство устанавливается на месте проведения замеров и готовится к эксплуатации;
• трагерные системы, обеспечивающие устройству возможность продолжительное время быть устойчивым;
• винты (два: наводящий и закрепительный);
• алидада – поворотная линейка.

Главные узлы

Моделей теодолитов большое количество, но устройство у них аналогичное:

• визирная труба (фиксируется между вертикальными колонками);
• центрир (оптический отвес);
• кремальера (настроечное приспособление);
• шкаловая или штриховая система измерений (ими оснащаются механические измерительные приборы);
• приспособления для проведения расчетов (круги со шкалами);
• штатив, на котором размещены все остальные узлы.

Кремальера выполняет такие функции:

• надежно удерживает устройство в нужной позиции, чтобы с точностью снимать данные с лимба;
• проводит замеры расстояния до определенного объекта;
• позволяет получить «мнимое изображение»;
• приводит основную ось устройства в абсолютно вертикальную позицию;
• регулирует фокусирующую линзу;
• точно проводит визирование расположенных на любом расстоянии объектов.

Отсчетные устройства

Они предназначены для того, чтобы отсчитывать деления до разрешенных долей, и могут быть шкаловыми, штриховыми и в микрометрах. Если шкала размещается по окружности, это лимб (угломерный круг). У их делений определенная величина (минимум 1 градус и максимум 5 угловых минут). Какой величины круг для измерения углов, зависит от устройства определенной модели теодолита. Минимальный диаметр – 72 мм, а максимальный – 270. Индексом отсчета может быть одиночный или двойной штрих, называемый бисектором, нулевой или штрих главной шкалы. Простейшее приспособление для отсчета – верньер.

Уровни

Их назначение – обеспечивать точность юстировки прибора по отношению к направляющей в вертикальной плоскости. Они позволяют замерять углы небольшой величины вертикально. Уровни независимо от моделей имеют аналогичную конструкцию и состоят из таких комплектующий:

• колба с особой жидкостью;
• корпус, предохраняющий ее от повреждений.

Уровни могут быть цилиндрическими и круглыми.

У первых колбы изготовлены из особого стекла, содержащего молибден, и содержат этиловый спирт. На них на расстоянии 2 мм друг от друга наносятся несмываемые штрихи. Минимум, на который в ту или иную сторону наклоняется устройство, вызывая перемещение пузырька, называют величиной предельной чувствительности.

На стекло от центра к краю на определенном расстоянии наносятся окружности.

Разновидности теодолитов

Сегодня выпускается множество различных моделей этого прибора, которые отличаются по конструкции. Их можно классифицировать по таким критериям:

• принцип работы;
• конструктивные особенности;
• видовые характеристики;
• тип устройства (допустимая погрешность замеров).

По принципу работы теодолиты могут быть такими:

• лазерные – действуют по принципу лазерных измерительных приборов;
• цифровые – проводят расчеты посредством электронных приборов;
• оптические – в основе их работы оптическая система;
• механические

По видам:

• электронные теодолиты;
• маркшейдерские;
• прямого видения;
• автокаллимационные;
• с компенсатором;
• традиционные.

По типам (точности) различают такие теодолиты:

• технические;
• точные;
• высокоточные.

Для теодолитов используется такая система буквенных обозначений, соответствующая их классификации:

• Т – название прибора («теодолит»).

Остальные буквы показывают, к какому классу относится устройство.

• Э – электронный теодолит.
• А - автокаллиматор.
• П – с трубой прямого видения, позволяющей получить неперевернутую картинку.
• К – с компенсатором, полностью заменяющим уровни.
• М – маркшейдерский прибор, которым пользуются в шахтах, горных проходах, пещерах и тоннелях.

При помощи высокоточных теодолитов можно измерять углы с погрешностью от 0,5 до 1 угловой секунды. У точных устройств точность измерений колеблется в пределах 2-15 угловых секунд. А у технических – 20-60.

Порядок определения горизонтального угла

Главный принцип измерения величины угла – расчет количества градусов между направлениями на два определенных объекта. Перед началом замеров нужно провести подготовку, в том числе горизонтирование.

После этого необходимо разместить нулевую отметку на лимбе с ориентацией на ось измеряемого угла. Дальше по шкале горизонтально размещенного круга проводится расчет угла.

Чаще всего используются два таких метода проведения замеров:

• последовательных повторений;
• круговых приемов.

Первый из них работает так. Прибор подготавливается и устанавливается в нужном месте. После этого нужно навести оптический визир на один из выбранных объектов, а затем на второй. Предварительно проводится визуальная наводка. Посредством винта фокусировки и путем одновременного регулирования диоптрийного кольца точно наводят устройство на каждый из выбранных объектов. Оценка процедуры на предмет ее точности осуществляется посредством вертикальных нитей. После закрепления направления на один из объектов считываются полученные показания по горизонтально расположенному кругу. Дальше винт, который закрепляет конструкцию, ослабляется и прибор переводится на следующий объект. Повторно считываются и фиксируются показания. Метод круговых приемов подходит для определения из одной точки размеров углов в горизонтальной плоскости. При помощи алидады прибор ориентируется на один из нужных объектов и измерительный круг выставляется в начальную позицию. Дальше зрительная трубка перемещается в необходимое положение (двигать ее можно только по часовой стрелке) и считываются показания кругу, размещенному горизонтально. Показатели рассчитываются, исходя из погрешности определенного измерительного прибора.

Геометрические параметры

Речь идет о том, что все составляющие теодолита обязательно располагаются строго по таким правилам:

• положение цилиндрического уровня и оси грандштока относительно друг друга должно быть перпендикулярным;
• грандшток и зрительная трубка также размещаются перпендикулярно;
• у визирной трубки центральная ось горизонтируется независимо от того, на какой угол осуществляется поворот и в каком направлении;
• вращение должно происходить вертикально относительно линии грандштока.

Приведение прибора в рабочее состояние

Прежде чем начинать замеры теодолит нужно правильно подготовить.

Центрирование

Прибор необходимо выбрать и установить точно в центре геодезического пункта. Как правило, для этого используется оптический центрир. Можно также воспользоваться стандартным отвесом, который применяют в строительстве.

Горизонтирование

Исходя из данных уровней, круг устанавливается горизонтально. К этому этапу следует переходить после того как будет дополнительно проверен уровень алидады. Устройство регулируется при помощи подъемных винтов.

Фокусировка

Этот процесс представляет собой настройку четкости картинки. Насколько точно проведена фокусировка, можно определить по четкости видимой сетки нитей. Чтобы отрегулировать изображение, нужно медленно менять расположение диоптрийного кольца. Когда каждая из нитей будет четко видна, можно прекращать перемещение.

Проведение измерений

Вертикальные и горизонтальные углы измеряются на приборе, который прошел проверку. Прежде чем приступать к замерам нужно оценить, насколько плавно двигаются все двигающиеся элементы прибора. Нужно повернуть его кремальеру, винты и алидаду. Чтобы свести погрешности к минимуму, следует вращать алидаду в нужном направлении. Ее перемещение должно быть исключительно плавным, без резких движений и возвратно-поступательных.

Прежде чем замерять угол горизонтально, необходимо поставить прибор вертикально над той точкой, от которой будет вестись отсчет.

После этого проводится подготовка. Чтобы получить точные результаты, нужно совершить подготовительные действия, повторив их несколько раз. Так можно избежать потенциальных ошибок, отрицательно влияющих на результаты замеров. То, в какой плоскости измеряется угол, в значительной степени влияет на специфику процедуры. Основные различия такие:

• когда нужно вычислить горизонтальный угол, он определяется как разница между параметрами, которые измерены, а вертикально угол определяется как показатель подъема зрительной трубки над плоскостью;
• горизонтально угол измеряется на зонах круга, которые предварительно выбраны, а вертикально без перестановок;
• при замерах горизонтального угла количество приемов больше, чем в случае определения вертикального.

Сделанные замеры обрабатываются путем определения средних показателей. Полученные результаты вычитаются из других. Это позволяет получить «приведенное направление». Чтобы проконтролировать замеры на предмет их точности, оценивается коллимационная ошибка. При этом учитываются сведения о точности, указанные в паспорте теодолита.

При необходимости получения данных более высокой точности можно использовать методы математической статистики и теории вероятности. Проводятся, в частности, вычисления дисперсии и математического ожидания.

Правила эксплуатации

Если теодолит используется правильно, он не делает серьезных ошибок в измерениях. Речь идет о том, что нужно придерживаться определенной последовательности действий на разных этапах использования прибора:

• на подготовительной стадии перед выполнением измерений;
• в процессе хранения;
• непосредственно при использовании для замеров;
• при сборке прибора после завершения работ;
• когда оцениваются результаты измерений.

Особенно важно придерживаться правил эксплуатации, если теодолит используется в особом температурном режиме, при повышенной влажности, сильном ветре, плохом освещении или в других специфических условиях. У таких приборов практически всегда интервал температур, в которых они могут эксплуатироваться, от -25 до +50 °С. Уровень влажности при этом не ограничивается. Но нужно учитывать, что при очень высокой или низкой температуре показания прибора могут быть неточными.

Поверки теодолита

Все измерительные устройства, в том числе теодолит, нужно время от времени проверять. В метрологии эту процедуру называют поверкой. С какими интервалами нужно проводить поверки, зависит от разновидности прибора. Их периодичность определяется индивидуально. При каждой такой операции проверяются важнейшие параметры, которые влияют на точность замеров, в том числе такие:

• качество работы уровня алидады (кругового или цилиндрического);
• фокусировка нитей и точное расположение;
• равная длина всех деталей штатива;
• показатель коллимационной ошибки;
• геометрические параметры измеряющих элементов;
• свойства оптической системы.

В процессе поверок регулируются параметры прибора, которые выходят за допустимые пределы.