Теодолит: устройство, назначение, разновидности

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.

Место нуля

Геодезический термин, относящийся к отсчету по ВК теодолита при горизонтальном положении зрительной трубы. Априори он должен соответствовать своему названию, то есть быть равным нулю. Для проведения такой поверки теодолита выбирается удаленная точка на уровне горизонта инструмента. На нее при двух положениях круга (КП и КЛ) производится наведение перекрестия сетки нитей и соответственно снятие двух отсчетов. Определение абсолютного значения места нуля (МО) осуществляется по формуле:

МО=0,5×(КП+КЛ±180)

Известно, что место нуля редко имеет соответствующее своему названию значение. Если его величина после вычислений находится в пределах двойной точности прибора, то никаких юстировочных работ не следует выполнять. При больших значениях МО юстировка производится в определенной последовательности:

• вычисляется значение нужного отсчета по ВК из разности величин КЛ и МО;
• устанавливается полученный отсчет микрометренным винтом ВК, в результате чего сетка нитей отклоняется с наведенного положения на точку в вертикальной плоскости;
• юстировочными винтами уровня ВК пузырек перемещают в центральное положение его корпуса;
• или винтами сетки нитей в теодолитах с компенсаторами перемещают перекрестие в наблюдаемую точку.

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.

Установка и настройка прибора

Каким же образом использовать этот инструмент? Сначала нужно установить прибор на треножник. Затем необходимо определиться с двумя опорными точками, на которые будет наводиться зрительная труба инструмента. Сначала ее наводят на первую точку. Далее выполняют фиксацию прибора и измеряют посредством вертикальной нити. Затем выполняют отсчет по горизонтальному кругу. Все данные нужно занести в журнал, затем снять фиксацию. Далее нужно отследить вторую точку. Для этого следует повернуть теодолит по часовой стрелке. На следующем этапе поворачивают трубу через зенит.

Далее нужно сменить позицию круга и навести трубу на точку. Если в измерениях есть незначительные расхождения, то правильным будет среднее значение. В процессе измерения лимб должен иметь нулевое или близкое к нему значение. Вращение алидады нужно прекратить в тот момент, когда совпадут штрихи с нулевыми значениями на лимбе и микроскопе. Все вышеописанные измерения выполняются по кругу.

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.

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.

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).

Теодолит его составные части

Устройство теодолита основано на законах оптики, механики, электроники.

Устройство теодолита 2т30

Схема теодолита включает следующие основные части:

• оптическую часть устройства составляет зрительная труба;
• два, перпендикулярно расположенных круга (один вертикальный, другой горизонтальный);
• трагерные системы (позволяющие находится длительное время в устойчивом состоянии);
• встроенный микроскоп (способ измерения может быть штриховой или шкаловой);
• специальная поворотная линейка (именуемая алидадой);
• закрепительный и наводящий винты;
• регулируемый штатив (с его помощью происходит установка на местности и подготовка прибора к работе).

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.

Инструкция по эксплуатации теодолитов

В стандартную комплектацию каждого теодолита обязательно входит инструкция по применению. В руководстве пользователя описывается последовательность выполнения работ на устройстве. Используя эту небольшую книжку, можно разобраться с теодолитом без посторонней помощи. Руководство пользователя – это также гарантийный талон и техпаспорт прибора. Средняя цена теодолита электронного составляет 50-70 тысяч рублей.