Принципи виміру кутів. Теодоліти

Вимір горизонтальних і вертикальних кутів на місцевості виконують спеціальними приладами - теодолітами.

Горизонтальний кут - це ортогональна проекція просторового кута на горизонтальну площину.

Вертикальний кут, або кут нахилу,- це кут, укладений між похилою й горизонтальною лініями.

Принцип виміру горизонтального кута (рис. 8.1, а) полягає в наступному. У вершині А вимірюваному куті ВАС встановлюють теодоліт, основною частиною якого є коло з розподілами. Коло розташовують горизонтально, тобто паралельно рівневій поверхні, а його центр сполучають із точкою А. Проекції напрямку АВ й АС, кут між якими вимірюють, перетнуть шкалу кола по відлікам (поділкам) b і с. Різниця цих відліків дає шуканий кут β=ВАС=с-b.

Рис.8.1. Горизонтальний (а), вертикальний (б) кути й принципова схема пристрою теодоліта (в): 1 – гвинт, 2, 5 - підставка, 3, 7 - лімби, 4,6 - алідади, 8 - зорова труба, 9 - рівень, 10, 11 - осі

Вертикальний кут вимірюють по вертикальному колу (рис. 8.1, б) аналогічним образом, але одним з напрямків служить фіксована горизонтальна лінія. З малюнка видно, що якщо спостережувана точка розташована вище горизонту, вертикальний кут (ν) позитивний, якщо нижче - негативний (- ν).

На цьому принципі заснований пристрій теодолітів (рис. 8.1, в). Прилад складається з підставки, що встановлюють на три піднімальні гвинти 1. В отвір підставки 2 входить вісь обертання лімба 3, у яку, у свою чергу, входить вісь алідади 4. Лімб - робоча міра теодоліта - представляє коло з розподілами. Алідада - частина приладу, розташована поряд з лімбом, на якій є елементи відлікового пристрою й два стовпчики, несучу вісь обертання НН зорової труби 8 вертикального кола. На захисному корпусі алідади укріплений циліндричний рівень 9. Зорова труба теодоліта являє собою візирний пристрій, що містить об'єктив, окуляр і сітку ниток. Рівень служить для приведення в певне положення приладу в цілому й окремих вузлах щодо стрімкої лінії. До основних частин теодолітів ставляться навідні й закріпне пристрої, що служать для наведення зорової труби на візирний ланцюг і закріплення рухливої частини приладу в заданому напрямку.

Для одержання за допомогою теодоліта неспотвореного значення результатів його геометричні елементи повинні бути відповідним образом орієнтовані відносно один одного. Геометричні умови (рис. 8.2) теодоліта записують так: VV┴FF, НН┴VV, PP┴HH, НН┴ВВ, UU┴LL, L'L'┴VV, LL┴НН, де VV й FF - вертикальна вісь приладу й площина горизонтального кола, HH - горизонтальна вісь труби, РР - візирна вісь труби, ВВ - площина вертикального кола, LL, UU й L'L' - осі накладного рівня й рівнів на горизонтальному й вертикальному колах, RR - осі піднімальних гвинтів, КК'К" - візирна вісь оптичного схилу.

З'ясування в польових умовах схоронності взаємного розташування частин теодолітів називають перевірками.

Вітчизняна промисловість випускає теодоліти, виміри якими виконують із погрішністю 0,5...30". Максимальна погрішність указується в марці приладу, наприклад, 3Т30-30", 3Т5КП-5" і т.д.

Розглянемо пристрій найбільше часто застосовуваних теодолітів. Особливий інтерес представляють теодоліти серії 3Т — високопродуктивні

Рис.8.2. Геометрична умова теодоліта: осі РР перпендикулярні площини малюнка, інші осі взаємно перпендикулярні, кути рівні 90º.

 

зручні в роботі, багатофункціональні кутомірні прилади, експлуатація яких можлива в межах температур + 50 °С... - 40 °С.

У будівництві, дослідницьких роботах, при монтажі машин, устаткування, конструкцій найчастіше застосовують теодоліти типу ЗТ5КП (рис. 8.3). Як правило, теодоліти укомплектовують приладами, що істотно розширюють область їхнього застосування. До стандартної комплектації ставляться: бусоль; лінзова насадка на об'єктив; окулярна насадка на зорову трубу й відліковий мікроскоп; електроосвітлення відлікових шкал, що вимагається при роботі в шахтах, уночі; візирна вішка, установлювана в ручку для перенесення теодоліта; штатив.

Теодоліт ЗТ5КП має порожню циліндричну систему осей обертання горизонтального кола. На притискній до штатива пластині 1 на трьох піднімальних гвинтах 2 у трігера 20 гвинтом 3 фіксують верхню частину приладу. Відлікові шкали горизонтального кола закриті кожухом 22, на якому укріплені стійкі 6. На одній зі стійок укріплена шкала для зняття відліків по вертикальному колу 21. Центрування теодоліта здійснюють убудованим в алідадну частина 22 оптичним центриром 5. Відліки по шкалах вертикального й горизонтального кіл, проходячи через систему заломлюючих призм, зводяться в мікроскоп 15. Ціна розподілу лімба 1°.

Рис. 8.3. Теодоліт ЗТ5КП у робочому стані з бусоллю (а - г) у різних ракурсах: 1 - притискна пластина, 2 - піднімальні гвинти, 3, 11, 12, 14 - затискні гвинти, 4 - гвинт установки відліку, 5 - окуляр центрира, 6 - стійка, 7 - об'єктив труби, 8 - ручка для перенесення, 9 - отвір для установки віхи, 10 - дзеркало підсвічування, 13 - гвинт сполучення шкали вертикального кола, 75 - мікроскоп, 16 - рівень, 17 - электроосвітлювальний пристрій, 18 - електрокабель, 19 засувка, 20 - підставка, 21, 22 - вертикальне й горизонтальне кола

 

У поле зору мікроскопа (рис. 8.4) видні більше дрібні розподіли шкали — хвилини. Відлік визначають по штриху лімба на відліковій шкалі, наприклад, відлік по горизонтальному колу Г дорівнює 174°55,2', по вертикальному В — 2°04,3'. Якщо штрих збігається із цілим розподілом, десяті частки самого дрібного розподілу визначають «на

Рис.8.4. Поле зору відлікового мікроскопу теодоліта 3Т5К: відлік по горизонтальному Г колу 174°55,2', по вертикальному В — 2°04,3'.

 

око». У цьому випадку це будуть десяті частки хвилини.

Вертикальний круг теодоліта добре скріплений із зоровою трубою, а з алідадою вертикального кола —цилідричний рівень. Наявність рівня на алідаді вертикального кола дозволяє встановлювати її початкові штрихи горизонтально. У теодоліті ЗТ5К рівня при вертикальному колі ні, його роль виконує оптичний компенсатор. Індекс компенсатора займає горизонтальне положення, і при вимірі вертикальних кутів показання відраховують по шкалі без додаткових дій.

Теодоліт 3Т30 (рис. 8.5, а) відрізняється від теодоліта ЗТ5КП тим, що в його відліковому пристрої немає шкали. Ціна розподілу лімба 10'.

Відліки по колах виконують по вертикальному відліковому штриху 1 (рис. 8.6).

 

Рис. 8.5. Теодоліт 3Т30 (а), окулярна насадка (б), орієнтир-бусоль (в) і поле зору труби (г)

1, 9, 11, 13, 15, 16, 17 - гвинти, 2 - підставка, 3, 4-окуляри, 5 - вертикальний круг, б - орієнтир-бусоль, 7 - візир, 8 - зорова труба, 10 - стовпчик, 14 - рівень, 18 підстава, 19, 20 призми, 21 - обойма, 22 - корпус, 23 - дзеркало, 24 - магнітна стрілка

Хвилини визначають «на око» (70°05' — по горизонтальному колу, 358°48' — по вертикальному). Зорова труба 8 (см. Рис. 8.5, а) теодоліта 3Т30 може використатися для центрування над точкою, для чого використовують окулярну насадку й порожню вертикальну вісь.

Рис. 8.6. Поле зору відлікового мікроскопу теодоліту 3Т30: 1 – відліковий штрих.

Цю ж насадку використовують для візування вертикально нагору. Фокусування труби роблять гвинтом-кремальєрой 11. Чіткість зображення сітки регулюють у відповідності до зору спостерігача обертанням кільця окуляра 3. У спостерігача зір повиннен бути ±5 діоптрій, в іншому випадку необхідно працювати не знімаючи окулярів. Зорову трубу наводять, повертаючи трубу в горизонтальній площині при відпущеному затискному гвинті 15. Його закріплюють при підведенні труби до мети, а навідним гвинтом 16 точно вводять у бісектор (простір, обмежений двома вертикальними нитками сітки поля зору труби). Зорову трубу наводять на мету у вертикальній площині навідним гвинтом 12, при цьому закріпний гвинт 9 при точній підводці затискають. Для наведення зорової труби разом з лімбом й алідадою служить закріпний гвинт 17 і навідний гвинт, що розташований на підставці теодоліта. На зоровій трубі встановлений оптичний візир 7, за допомогою якого трубу «на око» наводять на предмет. Поруч із окуляром зорової труби перебуває окуляр 4 відлікові мікроскопи.

Теодоліт має скляне коло з розподілами від 0 до 360°. Кожен градусний розподіл оцифровано. Вертикальну вісь приладу встановлюють у прямовисне положення по циліндричному рівні 14. Рівень має котирувальні гвинти 15. Підставка 2 теодоліти незнімна, жорстко скріплений з підставою 18, що служить одночасно дном футляра. Хід піднімальних гвинтів 1 підставки регулюється, що дає можливість установлювати плавний хід.

Окулярні насадки надягають на окуляри зорової труби й відлікового мікроскопа.

Окулярна насадка (див.рис. 8.5, 6) являє собою призму 19, що змінює напрямок візирної осі на 90°. Призма укладена в оправу 20, що, у свою чергу, поміщена в обойму 21. Оправа із призмою вільно обертається в обоймі. Па бічній кришці теодоліта є посадковий паз для установки орієнтира-бусолі 6.

Орієнтир-бусоль (рис. 8.5, в) поміщена в металевий корпус 22 із кришкою, у яку для зручності спостережень вмонтоване дзеркало. У корпусі нанесені два індекси й поміщений магнітна стрілка 24. Для зрівноважування магнітної стрілки на її південний кінець надіт грузик, якому можна переміщати уздовж стрілки. Орієнтир-бусоль кріпиться до теодоліта таким чином, щоб лінія, що проходить через індекси, була паралельна візирної осі труби. Перед роботою стрілку бусолі, що перебуває постійно в закріпленому положенні, опускають (розорієнтують) для вільного обертання в горизонтальній площині.

Трубу теодоліта 3Т30 можна при необхідності розташовувати горизонтально. Для цього на трубу встановлюють рівень: трубу переміщають приблизно горизонтально, знімають візир, а на його місці закріплюють рівень.

Теодолітом 3Т30 можна не сходячи з одного місця візувати зоровою трубою, знімати відліки по обох колах, спостерігати за установкою рівнів. Це особливо важливо при роботі на нестійкому ґрунті. Ряд інших теодолітів (у тому числі закордонних) мають аналогічний пристрій.

У цей час для автоматизації процесу виміру кутів випускають кодові теодоліти. У кодових теодолітах на лімбах замість штрихів розташовуються кодові доріжки (диски), що дають можливість на основі сполучення прозорих і непрозорих смуг одержувати при пропущенні через них світла лише два сигнали: «темно - світле». У цьому випадку значення кожного спостережуваного напрямку виходить як сполучення двох таких сигналів. Тим самим в основу коду кладе двійкова система числення, як в ЕОМ.

При роботі з кодовим теодолітом в обов'язок спостерігача входить лише наведення труби на мету. Зчитування відліку по лімбі й наступній обробці виконуються автоматично, що прискорює й спрощує процес кутових вимірів. Кодові теодоліти випускають різної точності, характеризуємою помилкою виміру кута 1...5". Першим вітчизняним кодовим теодолітом є ТТ11, створений на базі теодоліта 2Т2.

Теодоліт, особливо кодовий, є складним і дорогим приладом, що вимагає вмілого й дбайливого обігу з ним. Тому до початку роботи знову освоюваним теодолітом необхідно скористатися інструкцією, наявної в кожного екземпляра теодоліта. Варто пам'ятати, що всі оптичні, гвинтові й інші частини теодолітів після недбалого поводження й поломки в основному не відновлюються.