Раздел 5. Угловые измерения

5.1. Расскажите о нНазначениие и классификациия теодолитов?

Теодолит это геодезический прибор, предназначенный для измерения горизонтальных углов, вертикальных углов и длин линий.

Теодолиты находят широкое применение на всех стадиях строительного производства. Так на стадии изысканий инженерных сооружений они предназначены для:

· создания опорных геодезических сетей и съемочного обоснования;

· привязки геологических и других разведочных выработок;

· топографических съёмок..

На строительной площадке теодолиты используются для:

· создания разбивочной геодезической основы;

· перенесения на местность основных осей зданий и инженерных сооружений;

· передачи осей на монтажные горизонты;

· установки строительных конструкций в отвесное положение;

· выверки вертикальности конструкций;

· съемки построенных конструкций с целью составления исполнительного генерального плана.

На стадии эксплуатации инженерных сооружений теодолит необходим для наблюдений за смещением сооружений в плане и для измерения их крена.

В соответствии с ГОСТ 10529 – 79 все теодолиты по точности разделены на три группы:

1) высокоточные теодолиты служат для измерения горизонтальных углов со средней квадратической погрешностью от 0,5 до 2″;

2) точные теодолиты предназначены для измерения горизонтальных углов со средней квадратической погрешностью от 2 до 7″;

3) технические теодолиты - для измерения горизонтальных углов со средней квадратической погрешностью от 10 до 30″.

Кроме классификации по точности, теодолиты подразделяются:

· по области применения (геодезические, маркшейдерские);

· по физической природе носителя информации (механические, оптические, электронные, кодовые);

· по конструкции (простые, повторительные, с уровнем при вертикальном круге, с компенсатором).

Названные выше признаки классификации нашли свое отражение в маркировке теодолитов. Так высокоточные теодолиты имеют маркировку Т05, Т1, 3Т2КП; точные 2Т5, 2Т5КП; технические 4Т15П и 4Т30П.

Маркировка теодолитов включает следующие обозначения. Цифра перед буквой Т означает номер модификации прибора данной серии. Цифры после буквы Т характеризуют точность измерения горизонтального угла одним полным приемом в секундах. Буква К означает, что вертикальный круг данного теодолита имеет компенсатор углов наклона основной оси. Буква П означает, что зрительная труба имеет прямое изображение.

Так как геодезические измерения выполняют в различных физико географических условиях и в различное время года, то к теодолитам предъявляют жесткие требования к обеспечению высокой точности и производительности труда при выполнении угловых измерений в любых условиях. Они должны быть удобны и просты в обращении, позволять выполнять поверки и юстировки в полевых условиях непосредственно исполнителем.

Представленная на рис.5.1 серия теодолитов, выпускаемых Уральским оптико-механическим заводом, в основном, удовлетворяет запросы строительной отрасли на любой стадии строительства.

Теодолит 3Т2КП позволяет измерять горизонтальные углы со средней квадратической погрешностью m_ß = 2″. Его применяют для измерения углов в триангуляции, полигонометрии, в геодезических сетях сгущения, при установке в проектное положение особо ответственных строительных конструкций и при монтаже элементов конструкций машин и механизмов.

3Т2КП 3Т5КП

4Т15П 4Т30П

Рис.5. 1. Теодолиты, выпускаемые Уральским оптико-механическим заводом

Теодолит 3Т5КП применяют при измерении горизонтальных углов в геодезических сетях сгущения со средней квадратической погрешностью не превышающей 5 ^״. В строительной практике это наболее широко распространенный прибор как на стадии изысканий (создание геодезической разбивочной основы, развитие съемочного обоснования, съемочные работы и т. д.), так и при монтаже строительных конструкций.Данная марка теодолитов широко используется при контроле вертикальности построенных сооружений и определения их крена.

Теодолиты технической точности серии 4Т (4Т15П и 4Т30П) предназначены для измерения горизонтальных и вертикальных углов при выполнении тахеометрических и теодолитныхтеодолитных съемок. Они находят широкое применение при монтаже строительных конструкций. Эти теодолиты компактны и просты в работе.

5.2. Расскажите о технических характеристиках теодолитов?

Краткие технические характеристики теодолитов приведены в табл.5.1.

Таблица 5.1. Технические характеристики теодолитов

Показатели	3Т2КП	3Т5КП	4Т15П	4Т30П
Увеличение зрительной трубы, крат
Световой диаметр объектива, мм
Угол поля зрения,	1035′	1035′	20	20
Наименьшее расстояние визирования, м	0,9	0,9	1,2	1,2
Диапазон работы компенсатора вертикального круга	4′	4′
Цена деления отсчетного микроскопа	1″	1′	5′	5′
Средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла	2″	5″	15″	30″
Средняя квадратическая погрешность измерения вертикального угла	2,4″	5″	15″	30″
Масса теодолита с подставкой, кг	4,7	4,3	3,5	3,5

5.3. Назовите основные части теодолита и их назначение?

Все теодолиты имеют примерно одинаковое устройство. На рис. 5.2 показан теодолит технической точности 4Т3030П. Он состоит из следующих основных частей:

-горизонтальный круг;

-вертикальный круг;

-зрительная труба;

-подставка с тремя подъемными винтами;,

-цилиндрический уровень.

Горизонтальный круг состоит из лимба и алидады. Лимб представляет собой стеклянный круг с нанесенными градусными делениями от 0^◦ до 360^◦, а на алидаде нанесена отсчетная шкала (рис.5.3). Шкалы лимба и алидады горизонтального и вертикального кругов передаются в поле зрения отсчетного микроскопа. Изображение Шшкалаы горизонтального круга отмеченао буквой Г, а вертикального – буквой В.

Алидада горизонтального круга имеет закрепительный винт 9 и наводящий винт 14, который служит для точного наведения сетки нитей на визирную цель. Лимб горизонтального круга данной модели не имеет закрепительного и наводящего винтов, но может быть переставлен на любой угол с помощью барабана 8 (рукоятка перевода лимба).

Лимб вертикального круга посажен на одной оси со зрительной трубой и поворачивается на такой же угол, что и зрительная труба. Алидада остается на месте. На этом основывается принцип измерения углов наклона.

Рис.5.2. Теодолит 4Т30П.

1 – кремальера (барабан фокусировки); 2 – закрепительный винт зрительной трубы; 3 – окуляр микроскопа; 4 – зрительная труба; 5 – зеркало для подсветки шкал отсчетного микроскопа; 6 – колонка; 7 – подставка (трегер); 8 – барабан перестановки лимба горизонтального круга; 9 – закрепительный винт алидады; 10 – юстировочные (исправительные) винты цилиндрического уровня; 11 – окуляр зрительной трубы; 12 – защитный колпачок сетки нитей; 13 – цилиндрический уровень; 14 – наводящий винт алидады; 15 – наводящий винт зрительной трубы; 16 – коллиматорный визир; 17 - оптический центрир.

5.4. Что представляют собой отсчетные устройства теодолита?

На лимбе горизонтального круга нанесена градусная шкала с ценой деления 1º. Оцифровка градусов выполнена по ходу часовой стрелки и с помощью оптической системы передается в поле зрения отсчетного микроскопа (рис. 5.3). На рис.5.3 а) это 295º, а на рис.5.3 б) –имеет оцифровку 115º.

Цена деления шкалы алидады как горизонтального, так и вертикального кругов равна 5′. Градусный штрих, проекция которого попадает на шкалу алидады, одновременно является отсчетным штрихом. На рис.5.3 а) отсчет по горизонтальному кругу равен 295^о 07,5′, а на рис.5.3 б) соответственно 115^о 07,5′.

Шкала лимба вертикального круга имеет оцифровку от 0 ^о до 60 ^о и от

-0^◦ до -60^◦. Поэтому при отсчете по вертикальному кругу необходимо сначала посмотреть, какой знак стоит перед градусным штрихом лимба. По умолчанию принимается, что отсутствие знака соответствует положительному числу. Отсчет в этом случае необходимо снимать от положительного нуля шкалы алидады до положительного градусного штриха, находящегося на шкале алидады. И наоборот, если у градусного штриха подписан знак минус, то за начало отсчета принимают -0. На рис.5.3 а) отсчет по вертикальному кругу равен 4^◦43,0′, а на рис.5.3 б) он равен -4^◦17,50′.

а) б)

Рис.5.3. Поле зрения отсчетного микроскопа теодолита 4Т30П при положительном (а) и отрицательном (б) угле наклона трубы

5.5. 5.5.Расскажите об устройстве зрительной трубы теодолитов серии 4Т30П (Т15)?

Зрительная труба (рис.5.4) состоит из трех линзового не склеенногообъектива 1, двух компонентной склеенной фокусирующей линзы 7, плоскопараллельной пластинки с нанесенной на нее сеткой нитей 3 и четырех линзового окуляра 4. Линзовые компоненты строго центрированы и помещены в литом корпусе зрительной трубы. Перемещение оправы 8 фокусирующей линзы осуществляется при помощи зубчатой рейки 2 и шестеренки, вращаемой кремальерой 9, которая вынесена за колонку теодолита. Изменение положенияфокусирующейлинзы изменяет фокусное расстояние объектива, что позволяет видеть резкое изображение визирной цели, на каком бы расстоянии от теодолита она не находилась. Наименьшее расстояние фокусировки составляет 1,2 м. Диаметр выходного зрачка окуляра равен 1,4 мм

Рис.5.4. Зрительная труба теодолитов серии Т15 (Т30)

1 - объектив; 2 – зубчатая рейка; 3 – сетка нитей; 4 – окуляр; 5 – диоптрийное кольцо; 6 – предохранительный колпачок сетки нитей; 7 – фокусирующая линза; 8 – оправа фокусирующей линзы; 9 – кремальера

Зрительная труба (рис.5.4) состоит из трех линзового не склеенного объектива 1, двух компонентной склеенной фокусирующей линзы 7, плоскопараллельной пластинки с нанесенной на нее сеткой нитей 3 и четырех линзового окуляра 4. Линзовые компоненты строго центрированы и помещены в литом корпусе зрительной трубы. Перемещение оправы 8 фокусирующей линзы осуществляется при помощи зубчатой рейки 2 и шестеренки, вращаемой кремальерой 9, которая вынесена за колонку теодолита. Изменение положения фокусирующей линзы изменяет фокусное расстояние объектива, что позволяет видеть резкое изображение визирной цели, на каком бы расстоянии от теодолита она не находилась. Наименьшее расстояние фокусировки составляет 1,2 м. Диаметр выходного зрачка окуляра равен 1,4 мм.

5.6. Расскажите о назначении сетки нитей?

Сетка нитей (рис.5.5) служит для точного наведения визирной оси зрительной трубы на визирную цель.Она представляет собой плоскопараллельную пластинку, на которой нанесены три горизонтальных и одна вертикальная нить. Для повышения точности визирования вертикальная нить в одной половине имеет биссектор (двойную нить). При измерении горизонтальных углов визирную цель обязательно вводят в биссектор.

Рис.5.5. Сетка нитей

Средняя нить с служит для наведения на визирную цель при измерении вертикальных углов. Верхняя нить в и нижняя н предназначены для измерения длин линий и являются составной частьюнитяного дальномера.

Вращением диоптрийного кольца добиваются резкого изображения сетки нитей независимо от остроты зрения наблюдателя. Для близорукого или дальнозоркого глаза окуляр может перемещаться в пределах ±5 диоптрий.

Сетка нитей теодолитов серии Т30 имеет четыре исправительных винта, с помощью которых можно изменять ее положение в зрительной трубе. Это необходимо при юстировке коллимационной погрешности и места нуля вертикального круга. Исправительные винты сетки нитей закрыты защитным колпачком.

Рис.5.5. Сетка нитей

Средняя нить с служит для наведения на визирную цель при измерении

вертикальных углов. Верхняя нить в и нижняя н предназначены для измерения длин линий и являются составной частью нитяного дальномера.

Вращением диоптрийного кольца добиваются резкого изображения сетки нитей независимо от остроты зрения наблюдателя. Для близорукого или дальнозоркого глаза окуляр может перемещаться в пределах ±5 диоптрий.

Сетка нитей теодолитов серии Т30 имеет четыре исправительных винта, с помощью которых можно изменять ее положение в зрительной трубе. Это необходимо при юстировке коллимационной погрешности и места нуля вертикального круга. Исправительные винты сетки нитей закрыты защитным колпачком.

5.7. Что такое визирная ось зрительной трубы?

Мнимая линия, соединяющая перекрестие сетки нитей и оптический центр объектива, называется визирной осью зрительной трубы. Это главная ось зрительной трубы. К ней предъявляют жесткие требования в сохранении своего положения при перемещении фокусирующей линзы. Не прямолинейность хода фокусирующей линзы вносит погрешность в результаты измерений как горизонтальных, так и вертикальных углов.

5.8. Расскажите о назначении и устройстве цилиндрического уровня?

Цилиндрический уровень предназначен для приведения в горизонтальное положение плоскости лимба горизонтального круга (оси вращения теодолита в отвесное положение). Он представляет собой стеклянную ампулу (рис.5.6), внутренняя поверхность которой отшлифована по дуге радиуса R. Его величина зависит от назначения уровня и может принимать размеры от 3 до 200 м. У теодолита 4Т30П величина радиуса равна около 10 м.

Касательная uu₁ (рис.5.6 б) к внутренней поверхности ампулы в нуль-пункте называется осью цилиндрического уровня.

Когда пузырек уровня находится в нуль-пункте, ось uu₁ занимает горизонтальное положение, а следовательно и плоскость лимба также займет горизонтальное положение.

На ампуле нанесена шкала с расстоянием между штрихами 2 мм. Угол λ,на который наклонится ось уровня при смещении пузырька на одно деление, называется ценой деления. Это основная метрологическая характеристика уровня.

Рис.5.6. Цилиндрический уровень

Когда пузырек уровня находится в нуль-пункте, ось uu₁ занимает горизонтальное положение, а следовательно и плоскость лимба также займет горизонтальное положение.

На ампуле нанесена шкала с расстоянием между штрихами 2 мм. Угол λ,на который наклонится ось уровня при смещении пузырька на одно деление, называется ценой деления. Это основная метрологическая характеристика уровня.

Когда пузырек уровня находится в нуль-пункте, ось uu₁ занимает горизонтальное положение, а следовательно и плоскость лимба также займет горизонтальное положение.

На ампуле нанесена шкала с расстоянием между штрихами 2 мм. Угол λ,на который наклонится ось уровня при смещении пузырька на одно деление, называется ценой деления. Это основная метрологическая характеристика уровня.

Связь радиуса кривизны и цены деления уровня имеет вид

λ=l×ρ/R, (5.1)

где l –линейная величина одного деления уровня (2 мм);

R – радиус кривизны внутренней поверхности ампулы;

ρ =206265″-число секунд в радиане.

Уровень имеет исправительные винты H, с помощью которых его можно наклонять в вертикальной плоскости на небольшие углы.

Приведение пузырька цилиндрического уровня в нуль-пункт осуществляется подъемными винтами трегера (подставки) теодолита.

5.9. В чем основное отличие электронных теодолитов от существующих?

Основным недостатком выпускаемых в настоящее время отечественной промышленностью теодолитов является сложность автоматизации процесса снятия отсчетов по угломерным кругам, а значит устранения погрешностей субъекта в этом процессе. Это связано с установившейся традицией деления лимба на 360 частей (градус), или 400 частей (гон). С точки зрения автоматизации снятия отсчета по измерительному кругу наиболее приемлемым является деление круга на 1000 частей. В этом случае появляется возможность путем оптико--электронного сканирования круга автоматизировать процесс угловых измерений и повысить приборную точность за счет исключения погрешности субъекта при снятии отсчета по измерительному устройству.

В настоящее время за рубежом освоен выпуск электронных теодолитов нового поколения, как с лазерным лучом визирования, так и с обычным. Особенно значительные успехи в конструировании таких приборов имеются в Японии.

На рис.5.7 представлены серийно выпускаемые электронные теодолиты японской фирмы SOKKIA. Встроенный лазерный излучатель может работать в двух режимах: фокусированный луч (для высокоточного наведения) и параллельный пучок (для контроля наведения). При использовании специальной насадки лазерный луч рассеивается на две взаимно перпендикулярные линии.

а) б) в)

Рис.5.7. Электронные теодолиты

Двухосевой компенсатор с функцией предупреждения о недопустимом наклоне оси вращения теодолита позволяет получить максимальную точность угловых измерений. Дисплей теодолита имеет два экрана с каждой стороны и 4 строки по 20 символов.

ОниЭлектронные теодолиты исключают погрешности наблюдателя при снятии отсчетов по горизонтальному и вертикальному кругам. Значения отсчетов и углов выводятся на дисплей и одновременно записываются на магнитный носитель.

К особенностям этого класса теодолитов, по мнению фирмы изготовителя, можно отнести:

· современный дизайн;

· большой удобный дисплей;

· управление 4-мя кнопками;

· оптический центрир;

· надежный двухосевой компенсатор;

· высокая степень защиты от внешних воздействий позволяет работать при самых неблагоприятных условиях (сильная запыленность, влажность).

5.10. Как привести теодолит в рабочее положение?

Теодолит установить на штатив и прикрепить его становым винтом к штативу. Вывести подъемные винты в среднее положение. Привести теодолит в рабочее положение. Для этого необходимо выполнить следующие операции.

Центрирование. Под центрированием теодолита понимают совмещение центра лимба с вершиной измеряемого горизонтального угла. Для этого штатив необходимо расположить над вершиной измеряемого угла таким образом, чтобы его головка была горизонтальной (на глаз) и центр ее находился на одной отвесной линии с вершиной (на глаз). При этом ножки штатива должны быть хорошо утоплены в землю.

Перемещением теодолита по головке штатива и изменением положения ножек штатива (если в этом возникает необходимость) добиться совмещения острия отвеса и закрепленной вершины измеряемого угла при горизонтальном положении головки штатива.

При использовании оптического центрира, после центрирования на глаз, вращением подъемных винтов приводят вершину измеряемого угла в центр сетки нитей центрира, устанавливают уровень параллельно одной из ножек штатива и, изменяя ее положение по высоте, приводят пузырек в нуль пункт. Аналогичные действия повторяют с другими ножками штатива. В результате пузырек уровня должен располагаться в нуль- пункте, а центр вершины измеряемого угла в центре сетки нитей. При необходимости процедуру центрирования повторяют.

Нивелирование. Под нивелированием понимают приведение в горизонтальное положение плоскости лимба. Для этого необходимо установить уровень по направлению двух подъемных винтов (рис 5.8 а) и вращением их в противоположные стороны вывести пузырек в нуль-пункт.

Рис.5.8. Схема нивелирования теодолита

Открепить алидаду и повернуть теодолит на 90º (рис. 5.8 б). Вращая третий винт, привести пузырек в нуль-пункт. Проверить, остается ли пузырек в нуль-пункте при другом расположении подъемных винтов и цилиндрического уровня. Если нет, то повторить нивелирование.

Примечание. При центрировании теодолита оптическим отвесом операция нивелирования выполняется одновременно с центрированием.

Установка сетки нитей по глазу. Вращением диоптрийного кольца окуляра зрительной трубы добиться резкого изображения сетки нитей. Перемещением глаза у окуляра убедиться в отсутствии параллакса сетки нитей.

5.11. Что относится к метрологическим характеристикам теодолитов?

К основным метрологическим характеристикам теодолитов относят:

· Увеличение зрительной трубы;

· Угол поля зрения трубы;

· Точность измерения горизонтального угла одним приемом;

· Точность измерения вертикального угла полным приемом;

· Наименьшее расстояние визирования:

· Цена деления цилиндрического уровня;

· Коэффициент нитяного дальномера.

5.12. Как определить увеличение зрительной трубы?

Увеличением зрительной трубы v называется отношение угла α, под которым изображение предмета видно в трубу, к углу ß, под которым предмет виден невооруженным глазом (рис.5.9).

v = α / ß. (5.21.6)

На практике увеличение трубы чаще всего определяют с помощью рейки, установленной на расстоянии 5 – 10 м от теодолита. Наблюдая рейку одним глазом в трубу, а другим мимо трубы, подсчитывают, сколько n₁ делениям рейки, видимых в трубу, соответствует n₂ делений_, видимых невооруженным глазом (рис.5.10.). Тогда увеличение трубы равно

v = n₂ / n₁. _. (5.31.7)

Рис.5.9. Схема определения увеличения зрительной трубы

Такие определения выполняют не менее трех раз желательно при различных расстояниях. Результаты записывают в табл. 5.2.

Рис.5.10. Определение увеличения зрительной трубы по рейке

Таблица 5.2. Определение увеличения зрительной трубы

Номер определения	Число делений рейки	v крат
n1	n2
	2.5		20,4

Увеличение зрительной трубы можно также определить, если измерить диаметр объектива D и диаметр выходного зрачка окуляра d. Тогда

v = D / d. (5.41.8)

Второй способ менее точный, поэтому он применяется только для приближенных определений.