Кутові вимірювання у полігонометрії

11.3.1. Основні вимоги до кутомірних приладів у полігонометрії. Класифікація теодолітів та тахеометрів

До теодолітів, що використовуються для кутових вимірювань у поліго­нометрії, ставлять дві головні вимоги, практично протилежні за своєю суттю. А саме, теодоліти повинні:

1. Бути легкими, переносними.

2. Забезпечувати високу точність вимірювань горизонтальних кутів. Виявилося, що ці дві вимоги найповніше задовольняють оптичні

теодоліти. Такі теодоліти мають не металеві, а скляні круги із градусними поділками для вимірювання горизонтальних та вертикальних кутів. Останнім часом оптичні теодоліти замінюють електронними теодолітами, у яких скляні круги із градусними поділками замінюють також скляними кругами, але з умовними позначками. Ці умовні позначки дають змогу автоматизувати вимірювання. Існують три системи автоматизації відліків: кодова, імпульсна, динамічна. Названими системами відліки кругів у градусах (або в гонах) відображаються на дисплеї теодолітів або тахеометрів.

1. Відповідно до ДЕСТ теодоліти за точністю класифікують на:

2. Високоточні - Т 02, Т 05, Т 1 та багато інших.

3. Точні - Т2, ТБ, ОТБ.

4. Технічні Т 30, 2Т ЗО.

Тут перераховано тільки теодоліти, найпоширеніші на виробництві. У табл. ІІ.3.1 подані теодоліти та тахеометри, що виготовляються сучасними, найвідомішими у світі провідними фірмами.

Ще на початку XX століття теодоліти виготовляли тільки з горизон­тальними кругами, оскільки вони призначалися для вимірювання горизон­тальних кутів. З розвитком геодезичного приладобудування відбувалась універсалізація теодолітів. У наш час фірми вже не виготовляють теодоліти без вертикальних кругів. Отже, теодоліти перетворились на тахеометри, якими можна вимірювати горизонтальні та вертикальні кути, а також віддалі, спо­чатку нахилені, за допомогою ниткових віддалемірів, пізніше - горизонтальні, особливими номограмами.

У наш час випускають теодоліти обов'язково з вертикальними кругами -не тільки оптичні, але й електронні, які автоматично відображають на дисплеї відліки кругів. Ці теодоліти ще називають цифровими. У деякі теодоліти (фактично тахеометри) умонтовано лазери для створних спостережень та лазерні виски для центрування. Такі прилади продовжують називати теодолітами.

Планові геодезичні мережі

Тільки після заміни в теодолітах оптичних віддалемірів на електронні світловіддалеміри фірми, що виготовляють геодезичні прилади, назву приладу "теодоліт" змінюють на "тахеометр".

Насправді усі сучасні теодоліти, оскільки ними можна вимірювати одні й ті самі величини, що й за допомогою тахеометра, можна було б назвати тахеометрами. У таблиці збережено назви "теодоліти" та "тахеометри", як це роблять фірми-виробники.

Високоточні та точні електронні тахеометри, в які вмонтовані внутрішні комп'ютери, здатні відображати на дисплеї не тільки кути та довжини, але й просторові координати пунктів і розв'язувати цілу низку інженерно-геодезичних задач, отримали назву тотальні станції (total station).

В останні роки з'явилися електронні тахеометри, що не потребують відбивачів. Теодоліти та тахеометри, у яких під час вимірювання повертаються круги (які мають динамічні системи відліків), називають моторизованими -(М). Крім того, виготовляють також тахеометри з автоматичним наведенням візирної осі на ціль. Наприклад, ТС А - 1000 (L) (тотальна станція з автоматичним наведенням та лазером (L), серії 1000). Тахеометри найпо­ширеніше застосовують у сучасному геодезичному виробництві й тому фірми, що виготовляють тахеометри, випускають їх у багатьох модифікаціях. Така різноманітність цих приладів зумовлює необхідність класифікувати теодоліти не тільки за точністю, але й за конструктивними особливостями та вимірю­вальними можливостями.

У табл. П.3.2 подана класифікація теодолітів та тахеометрів.

У табл. П.3.1 подано прилади, що виробляють тільки чотири фірми. До лідерів, що також виробляють геодезичні прилади, належать й інші фірми, такі, як Торсоп (Японія), Trimble (CUIA). Фірма Торсоп випускає, наприклад, електронні тахеометри серії GTS 720 (GTS-721, 722, 723, 725) з точністю вимірювання кутів 1", 2", 3", 5" відповідно, а також електронні тахеометри серії GPT - 3000 (GPT-3002, 3003, 3005, 3007) з точністю вимірювання кутів 2", З", 5", 7" відповідно та вимірювання ліній до 250 м без відбивача з точністю до 10 мм; з однією призмою - до 3000 м з точністю 3 мм + 2 ррт.

Фірма Trimble випускає електронні тахеометри без відбивача серії 3600 DR (3601 DR, 3602 DR, 3603 DR, 3605 DR) з точністю вимірювання кутів 1,5", 2", 3", 5" відповідно, та ліній до 120 м без відбивача з точністю 3 мм.

Особливий інтерес становить названа у табл. П.3.1 трикоординатна мобільна вимірювальна станція фірми Sokkia, що забезпечує (як вважає фірма) найбільшу у світі точність вимірювання довжини ± (0,8 + 1 10 j мм. Станція швидко вираховує просторові координати з розв'язком до 0,1 мм.

 

 

 

 

 

Планові геодезичні мережі

Таблиця II. 3.2

Класифікація теодолітів та тахеометрів за конструктивними характеристиками та вимірювальними можливостями

 

Назва приладу	Конструктивні особливості
Оптичні теодоліти	Скляні круги з градусними або градовими поділками
Електронні теодоліти (цифрові)	Скляні круги з умовними позначками та автоматизованими відліками
Електронні теодоліти (цифрові) моторизовані	Динамічна автоматизована система відліків. Круги під час вимірювання обертаються
Електронні теодоліти (цифрові) лазерні	Автоматизована система відліків; вмонтовані лазери -цілевказівники для створних спостережень, іноді - лазерні виски
Електронні тахеометри (цифрові)	Автоматизована система відліків, вмонтовані електронні світловіддалеміри (с/в), працюють з відбивачем
Електронні тахеометри (цифрові) моторизовані	Динамічна автоматизована система відліків, вмонтовані с/в; працюють з відбивачами
Електронні тахеометри (цифрові) лазерні	Автоматизована система відліків, умонтовані с/в та лазерні цілевказівники, іноді-лазерні виски; працюють з відбивачами
Електронні тахеометри (без відбивача)	Автоматизована система відліків, с/в, працюють без відбивачів
Тотальні станції	Високоточні та точні електронні тахеометри з програмним забезпеченням розв'язання багатьох інженерно-геодезичних задач, внутрішнім комп'ютером
Тотальні станції моторизовані	Високоточні та точні електронні тахеометри із програмним забезпеченням; розв'язання багатьох інженерно-геодезичних задач. Круги під час вимірювання обертаються (динамічна автоматизована система відліків)
Тотальні станції з автоматизованим візуванням	Аналогічні до попередніх тотальних станцій з автоматизованою системою відліків та автоматизованим наведенням візирної осі труби на ціль
Тотальні електронні тахеометри з інтегрованим GPS-приймачем	Нова революційна геодезична станція фірми "Leica", в якій вперше у світі об'єднані високоточний тотальний тахеометр з потужним GPS-приймачем

Розділ II

На ще більшу увагу заслуговує запропонований фірмою Leica згаданий у табл. П.3.2 тотальний електронний тахеометр з інтегрованим GPS-приймачем. Використовуючи його, не потрібно створювати геодезичну основу у вигляді ходів. Координати точки встановлення визначають GPS-технологією за декілька секунд із сантиметровою точністю для віддалей до 50 км від базової GPS-станції. Визначивши координати пункту спостережень за допомогою GPS, далі виконують тахеометричне знімання. Тахеометр орієнтують на другу точку встановлення. Координати цієї другої точки встановлення визначають також методом GPS, перейшовши на цю точку.

11.3.2. Відлікові пристрої оптичних кутомірних приладів, їхнє призначення та класифікація

Відлікові пристрої створені виробниками з метою підвищення точності відліків передусім для точного відлічування найменшої поділки круга. Пояснимо це детальніше. Нехай маємо шкалу, показану на рис. II.3.1.

Найменша поділка шкали X = 1°. Взяти відлік шкали означає визначити

відрізок шкали від 0° до відлікового індексу, що дотикається до шкали або проектується на неї. Якщо стрілка індексу збігається з деякими градусними поділками, то точний відлік становитиме 5^і = N ■ А,, де TV - кількість градусних поділок, що утворюють відлік. Але здебільшого відліковий індекс не збігається з поділками шкали, як це показано на рис. ІІ.3.1. Тому відлік становитиме S = NX + х. Величина х - невідома. Саме для підвищення точності визначення х призначені всі відлікові пристрої.

Відлікові пристрої оптичних теодолітів та тахеометрів можна класи­фікувати на:

1. Штрихові мікроскопи.

2. Шкалові мікроскопи.

3. Мікроскопи із гвинтовими мікрометрами.

4. Односторонні оптичні мікрометри.

5. Двосторонні оптичні мікрометри.

Планові геодезичні мережі

Зауважимо, що в оптичних теодолітах та тахеометрах відомий відліковий пристрій - верньєр - не застосовують. Розглянемо ці п'ять пристроїв.

Штриховий мікроскоп. Це звичайний мікроскоп з окуляром та об'єктивом, але в задньому фокусі об'єктива розташована скляна пластинка з нанесеним на ній штрихом, який і є відліковим індексом. Штрихові мікроскопи підвищують точність відліку завдяки значному збільшенню мікроскопом зображення поділок шкали порівняно з їхньою фактичною величиною. На рис. ІІ.3.1 зображено поле зору штрихового мікроскопа. Повний відлік стано­витиме S = NX ° +х • Х°. Невідому частину визначаємо окомірно, розділивши

градусну поділку на 10 частин. На рис. II.3.1 х = 0,4; 5 = 7 • Г + 0,4 • Г = 7,4°.

Шкаповий мікроскоп. У шкаловому мікроскопі замість штриха на скляній пластинці наносять шкалу. Довжина шкали повинна бути такою самою, як

найменша поділка круга -X. Тоді ціна поділки шкали \і = —, де т - кількість

т

всіх поділок на шкалі. Формула відліку шкалового мікрометра запишеться так:

(П.3.1)

де N - кількість поділок лімба; k - кількість цілих поділок шкали, які утво­рюють відлік; х - деяка частина поділки шкали.

На рис. ІІ.3.2 подано приклад відліку шкаловим мікроскопом X - Г. Ціна поділки шкали (визначають окомірно). Відлік

становитиме^ = М°+4-64-0,7-6';5 = Г +24'+4,2^, = 1⁰28,2\

Якщо відліковий пристрій має шкалу, одразу виникає питання рена. Реном г називають різницю між номінальним значенням найменшої поділки круга X та значенням цієї поділки, виміряним шкалою мікроскопа, тобто

г = Х-т\і. (113.2)

Розділ II

Річ у тім, що насправді X Ф т\і і, як підтверджує (П.3.2), виникає рен. Ця нерівність виникає тому, що ми бачимо в окулярі мікроскопа не самі поділки круга, а їхні зображення, збільшені мікроскопом. За визначенням, рен треба було б описувати формулою

г = т-т\ (ІІ.З.З)

де т - кількість поділок шкали, яка (за задумом конструктора) повинна поміститися в одній найменшій поділці лімба; т' - фактична кількість поділок зображення шкали, яка вміщується в цій самій поділці. Зрозуміло також, що змінюючи збільшення мікроскопа, можна позбутися рена або мінімізувати його вплив. На практиці у відліки вводять поправки за рен. Враховуючи наявність рена, дійсна ціна поділки шкали мікроскопа

(П.3.4) На підставі рівняння (ІІ.З.З) запишемо:

(П.3.5) Підставимо значення т' з (П.3.5) в (П.3.4):

т

Розкладемо значення правої частини останньої формули у степеневий ряд і, обмежившись членами першого степеня, отримаємо:

ц0 у (П.3.7):

(П.3.7) Позначимо - ціна поділки шкали за задумом виробника. Введемо

И = Цо+Н<Г — • (^IL3-⁸)

т

або

(П.3.9)

де - поправка за рен ціни поділки шкали мікрометра. Якщо деякий

відлік шкали містить к поділок, то:

S = k\i₀+kA\i. (ІІ.3.10)

 

Планові геодезичні мережі

Перший член правої частини рівняння (ІІ.3.10) - є наближеним відліком, другий - поправкою у відлік шкали за рен. Якщо т> т' - рен додатний, в іншому разі він від'ємний. Такі самі знаки поправок за рен.

Односторонній оптичний мікрометр. В оптичних мікрометрах на шляху променя, що спрямований від лімба до окуляра мікроскопа, ставлять плоско-паралельну пластинку. Під час повороту цієї пластинки спостерігачу здається, що поділки лімба рухаються. Із плоско-паралельною пластинкою пов'язана шкала мікрометра. Якщо "рухати" (поворотом пластинки) поділки лімба й сумістити з відліковим штрихом (або бісектувати) найближчу до штриха (бісектора) молодшу поділку лімба, то в такому розташуванні відлік мікрометра дає k\l + x|l; повний відлік (відповідно до (П.3.1):

S = NX + k\i + x\i.

В окулярах мікрометрів зображення поділок горизонтального та вер­тикального кругів видно одночасно, що доволі зручно під час відлічування. На рис. ІІ.З.З показано поле зору мікроскопа теодоліта ТІ фірми Wild.

Рис. ІІ.З.З. Поле зору одностороннього оптичного мікрометра теодоліта Т1

фірми Wild (327°59'36")

На рис. ІІ.З.З бісектується штрих 327 горизонтального круга. Тому в розташуванні, показаному на рис. ІІ.З.З, можна відлічити тільки горизон­тальний круг. Щоб отримати відлік вертикального круга, потрібно барабаном мікрометра повертати плоско-паралельну пластинку й бісектувати штрих 92°. На шкалі мікрометра з'являться кутові мінути та секунди відліку.

Двосторонній оптичний мікрометр. Такий мікрометр має дві плоско-паралельні пластинки, й у полі зору окуляра мікроскопа видно діаметрально протилежні штрихи лімба: зверху пряме зображення, знизу - перевернуте.

Розділ II

Під час повороту барабана мікрометра плоско-паралельні пластинки повертаються у протилежні боки, а спостерігачу видно, що діаметрально протилежні штрихи наближаються або віддаляються. Якщо штрихи рухаються назустріч, то достатньо верхньому й нижньому штрихам пройти шлях Х/2, щоб штрихи сумістилися (стали один продовженням другого). Тому під час відлічування вважають відрізки між суміжними штрихами (у прямому та перевернутому зображенні) такими, що дорівнюють не X, а XI2.

Якщо відомі значення XІ2 та ціна поділки шкали мікрометра ц, то відлік береться так:

1. Поворотом барабана мікрометра суміщають штрихи прямого та перевернутого зображення лімба, що видно всередині поля зору окуляра мікроскопа.

2. Рахують кількість проміжків між найближчою, ліворуч від нуль-пункту (відлікового штриха), підписаною поділкою лімба та діаметрально протилежною (перевернутою поділкою лімба): на рис. ІІ.3.4 це поділка 177° та 357° (перевернута). Проміжків - 5. Оскільки XI2 = 10', то кількість кутових мінут - 50'.

3. Відлічують кількість одиниць кутових мінут та секунд шкали мік­рометра - праворуч: 0'22".

4. Знаходять повний відлік - 177°50'22".

Штрихи лімбів часто роблять подвійними, як це показано на рис. П.3.4.

Рис. 11.3.4. Приклад відліку двостороннього оптичного мікрометра теодоліта 212: 177°50'22"

Це зменшує похибки суміщення штрихів, тобто підвищує точність від­ліків. Детально будову оптичних мікрометрів та методи їхнього відлічування описано в [17]. Оскільки під час відлічування двосторонніх оптичних мікро­метрів діаметрально протилежні штрихи, пройшовши шлях XI2, суміщаються, то реном двостороннього оптичного мікрометра називають різницю між номінальною величиною найменшої півподілки круга та його величиною, виміряною мікрометром.

Планові геодезичні мережі

11.3.3. Принцип роботи автоматичних систем відліків електронних теодолітів та тахеометрів

Автоматизовані системи відліків кутомірних приладів (теодолітів та тахеометрів) звільнили від необхідності запису в польових журналах відліків кругів. До того часу заповнення польового журналу під час кутових вимірю­вань здавалося неминучим.

Як вже зазначалося, це уможливилось завдяки заміні горизонтальних та вертикальних кругів (лімбів) - скляних кругів із градусними поділками, на такі самі скляні круги (диски), але з нанесеними умовними позначками, що створюють доріжки прозорих і непрозорих полів.

Такі диски з умовними позначками розташовуються між джерелом світла та фотодетектором. Фотодетектор працює як ФЕП (фотоелектронний помно­жувач - перетворює світловий сигнал на електричний струм). Диски виконують роль модуляторів світла. Пройшовши диски (із прозорими та непрозорими частинками), світло, що потрапляє на фотодетектори, буде модульованим. Зняті з фотодетектора електричні імпульси, збуджені модульованими світловими променями, дають змогу встановити значення відліку, відобразити його на електронному дисплеї, автоматично зареєструвати цей відлік в електронній пам'яті теодоліта або переслати його до комп'ютера, що співпрацює з електрон­ним теодолітом, для виконання подальших обчислень. Такий прилад названо електронним теодолітом. Електронний теодоліт відрізняється від електронного тахеометра передусім тим, що не має електрооптичного віддалеміра [31].

За останні роки створено три системи автоматичних відліків електронних теодолітів: кодові, імпульсні та динамічні. Всі вони грунтуються на загальному принципі: автоматизованому підрахунку світлових (електричних) імпульсів за допомогою мікропроцесорів і перетворення імпульсів на відлік у числовому вигляді. Далі розглянемо ці три системи автоматичних відліків детальніше.

Проста ілюстрація кодової системи відліку наведена на рис. ІІ.3.5. На рис. П.3.5 зображено кодовий диск з концентрично нанесеними доріжками -коду двійкової системи відлічування. Теоретично можливо реалізувати автоматичний зчитувальний пристрій також із десятковою системою цифр, до якої ми звикли під час візуальних відлічувань. Проте електронний пристрій буде набагато простішим, якщо користуватися двійковою системою. Це пояснюється тим, що двійкові цифри 0 і 1 можна дуже просто реалізувати фізично: темно - ясно, напруга є - немає, реле ввімкнено - вимкнено. На жаль, двійковий код вимагає від ЕОМ ємності, у 3,3 раза більшої, ніж десятковий код. Тому інколи застосовують двійково-десяткові та інші коди. Доріжки відраховують від центра круга. Перша складається із двох полів: затемненого й світлого півкола, а в кожній наступній - кількість полів подвоюється, почергово наносяться прозорі й непрозорі поля.

Розділ II

 

Рис. 11.3.5. Вид диска зверху

На рис. II.3.5 показано три доріжки. Остання має 2³ = 8 полів. У практиці їх може бути, наприклад, дванадцять. Тоді остання доріжка буде мати 2¹² = 4096 інтервалів.

Зауважимо, якщо необхідно визначити розташування алідади з точністю
1 сс для градових поділок: круг поділено на 400 g; 1 g = 100 с; 1с = 100 сс, тоді
на крузі радіусом г = 60 мм потрібно було б мати дуги a, розміром
2тіг 6,28 • 60 мм

(П.3.11)

400 100 100 400 100 100

Отже, закодувати повністю відлік неможливо. Найменшою величиною, що ще кодується, буде 0,1 g. Тоді дуги а становитимуть 0,094 мм, приблизно а ~ 0,1 мм. Для визначення частини поділки, меншої від 0,1 g, необхідно якесь інше рішення.

Не вдаючись у подробиці цього важливого питання, скажемо тільки, що нині використовують аналогову (безперервну) систему, яка в першому набли­женні відповідає способу відлічування секунд у класичних теодолітах, тобто частини, менші від одного інтервалу, оцінюють окремо. Уточнення відліку (напрямку) виконують електронною інтерполяцією відрізку: від останньої дециградової поділки (0,1 g) до індексу. Точність інтерполяції має становити 0,0001 g, тоді точність відліку становитиме 1 сс. Якщо виконавця задовольняє відлік 10 сс, то достатня інтерполяція 0,001 g.

Перейдемо до принципової суті кодової системи відліку, яка зображена на рис. ІІ.3.6. Над скляним диском розташовано джерело світла. Промені світла, пройшовши щілинну заслінку, перетворюються на "площину світла",

Планові геодезичні мережі

спрямовану паралельно до осі обертання теодоліта. Промені "площини світла", пройшовши кодовий диск, потрапляють на фотодетектор FD. Промінь, який пройшов через прозоре поле кодового диска, збуджує у діодах фотодетектора сигнал, що відповідає двійковій цифрі - 0, а відсутність такого сигналу дає цифру 1. Отже, відповідно до рис. П.3.5 (три доріжки), фотодетектор подає відлік 101. Потім цифрові відліки надходять на мікропроцесор MP, який відображає їх на дисплеї.

Рис. 11.3.6. Переріз диска за вибраним напрямком

Далі розглянемо імпульсний принцип автоматизації відліку кодового диска. Принцип зчитування (відліку) за допомогою імпульсних систем ґрунтується на тому, що деякий постійний кут повороту алідади прирівнюють до одного імпульсу. Це означає, що будь-яка зміна в розташуванні алідади може бути прирівняна до певної кількості імпульсів. Якщо N - кількість імпульсів, що подаються за одним повним обертом круга, розділеного на 400 g, то одному імпульсу буде відповідати кут С, який називається квантом і визначається за формулою

400 g

(П.3.12)

Один прозорий і сусідній непрозорий штрихи диска утворюють один квант кута. Доріжку прозорих та непрозорих штрихів називають растром. Ціна елемента квантування С для N = 4000 становитиме 0,1 g (0,1 града), тобто, С ' — 0,1 g. Лічильник рахує кількість імпульсів L, які виникли під час обертання круга від одного напряму до другого. Тоді кут становитиме:

a = CL. (II.3.13)

Знайдемо необхідну кількість імпульсів, щоб отримати відліки з точністю 1 сс (до однієї градової секунди). Розв'язуючи (П.3.12) відносно N, знайдемо:

^ ₌ 400_Я-100-100 _{= 41()б} \сс

Розділ II

Як ми вже знаємо, таку кількість імпульсів отримати на крузі радіусом 60 мм або дещо більшому неможливо. Кількість імпульсів можна зменшити певними конструктивними рішеннями. Отже, кількісне значення кута буде визначено, якщо підрахувати кількість поданих імпульсів, що відповідають зміні розташування візирної осі труби, скріпленої з алідадою під час візування (наведення труби) за напрямками, що створюють цей кут. Частота імпульсів (не кількість) буде змінною величиною, що залежить від швидкості обертання алідади виконавцем.

Використовуються світлові імпульси, які перетворюються на електричні або на імпульси, викликані електричною індукцією. Тому можна говорити про фотоелектричні та електроіндуктивні (індуктивні) імпульсні методи.

Рис. 11.3.7, а. Принципова схема імпульсної системи автоматизації відліків

Опишемо використання фотоелектричних імпульсів. В імпульсному методі центром приладу також є скляний круг (лімб) (рис. ІІ.3.7, а), що має одну доріжку рисок. Ширина рисок така сама, як і проміжків, що їх розділяють. Цей круг називають вимірювальним (вимірювальною сіткою). Напроти цієї сітки (шкали), на, можливо, найкоротшій віддалі від неї, розташована зчитувальна (відлікова) сітка М, яку називають маскою. Риски та проміжки цієї сітки (маски) такі самі, як і у вимірювальної сітки. Риски та проміжки маски створюють ряд прозорих та непрозорих полів.

Світло від джерела 5 (люмінесцентного діода) перетворюється конден­сатором К на паралельний пучок, проходить вимірювальну, а потім зчи­тувальну (відлікову) сітку. Скерований об'єктивом Об, він потрапляє на

Планові геодезичні мережі

фотодіод FD. Якщо зчитувальна сітка під час вимірювання рухається щодо вимірювальної, то світловий потік, який потрапляє на фотодіод, буде коли­ватися між певними максимальною та мінімальною величинами. Найбільший потік потрапляє на фотодіод тоді, коли риски обох сіток будуть перекриватися, а найменший (теоретично - нульовий), коли проміжки вимірювальної сітки будуть закриті рисками зчитувальної сітки. Під час повороту візирної осі (алідади) з напрямку К на напрямок Р певна кількість імпульсів світла потрапить на фотодіод. Електричний струм, збуджений імпульсами світла у фотодіоді, буде мати майже синусний вигляд.

Синусоїдний струм, за допомогою тригерної та диференційної електрич­них ланок (на рисунку не показані), перетворюється спочатку на прямокутні сигнали, потім на імпульсні, які підраховуються лічильником, а мікропро­цесором перетворюються на цифрові відліки. Така принципова схема імпульсної системи відліків.

На жаль, така проста система не дає змоги розрізняти напрямки руху алідади. Тому цю систему ускладнюють, використовуючи дві маски та два діоди. Однак це не змінює суті методу.

Тепер зупинимося на динамічних системах автоматизації відліків. Мірою кутів може бути час t, якщо сконструювати пристрій, який буде обертатися строго рівномірно й будуть з високою точністю відомі частота / чи період обертання Т. Тоді можна знайти цей кут, визначивши проміжок часу / прохо­дження деякою точкою або рискою на крузі дуги між відповідними напрямками, що створюють цей кут а, на підставі формули

ос = со/, (ІІ.3.14)

де со - кутова швидкість обертання.

Оскільки кутова швидкість со дорівнює

(И.3.15) то

(ІІ.3.16)

Нехай відома кількість обертів круга за хвилину п. Тоді період обертання Т в секундах або частоту знайдемо за формулою

Розділ II

Підставивши значення Т з (ІІ.3.17) у рівняння (П.3.16), отримаємо:

 

(ІІ.3.18)

Оскільки = с, то

a = ct. (ІІ.3.19)

Як бачимо, справді мірою кута може бути час. Тому динамічний метод може ще бути названий часовим.

Рис. 11.3.7, 6. Принципова схема динамічної системи автоматизації відліків

Розглянутий вище імпульсний метод також є динамічним, але в імпульс­ному методі обертання круга не обов'язково повинні бути рівномірними. У такому разі динамічний метод вимагає строго рівномірних обертань круга зі сталою частотою. Такий метод ґрунтується на застосуванні імпульсного диска (лімба), тобто такого самого диска, як і для імпульсного методу, та чотирьох зчитувальних фотоелектричних пристроїв, які під час вимірювання розта­шовують у площинах РР' та КК' (рис. ЇІ.3.7, б). Два з них — Р та К, утворюють кут а. Перед вимірюваннями круг (горизонтальний та верти­кальний) приводять в обертовий рух навколо його осі зі сталою частотою /, контрольованою мікропроцесором. Доріжка диска Р, пересуваючись під щілинами масок М і М_к зчитувачів РІК, виконує функції модулятора світ­ла та створює дві смужки світлових сигналів в інтервалах, що відповідають розташуванню зчитувачів над доріжкою диска.

Планові геодезичні мережі

Світлові сигнали над напрямками Р і К та збуджені ними електричні імпульси надходять у мікропроцесор MP неодночасно. Ця неодночасність трансформується лічильниками та MP у часову міру кута t та числове значення кута а. За даними зчитувачів Р та К отримують наближене (грубе) значення кута (як функцію часуґ). Потім, використовуючи дані всіх чотирьох зчитувачів Р, К, Р', К', одержують точне значення кута а. Увесь процес автоматизований.

Під час вимірювання кутів нульовий діаметр лімба, над яким розта­шована одна пара фотодіодів, встановлюють за одним із напрямків кута, а трубу спрямовують за другим напрямком цього кута. З цим напрямком збігається розташування другої пари діодів. Під час зміни напрямку обертання круга, навпаки, трубу спрямовують на перший, а нульовий діаметр - на другий напрямок кута.

Рис. 11.3.8. Теодоліт Т2000 (фірми Wild)

Завдяки діаметральному розташуванню зчитувачів Р і Р' та К і К' та обертанням круга під час вимірювань у двох протилежних напрямках виклю­чаються ексцентричні похибки, викликані розташуванням кругів та зчитувачів. Значення горизонтального (г) і вертикального (в) кутів та їхніх похибок відображаються на центральному мікропроцесорі СМР. Прилад має додаткові вмонтовані системи, що автоматично компенсують вплив нахилу вертикальної осі теодоліта (неточного горизонтування приладу) на значення горизонтальних та вертикальних кутів. Ці системи також електричні і грунтуються на компенсаторах. Зафіксовані фотодетектором зміни нахилу приладу, перелічені на поправки, вводяться у виміряні горизонтальні та вертикальні кути автоматично.

Розділ II

Реалізовані на практиці динамічні системи дали змогу отримати високу точність кутових вимірювань. Для теодоліта Т2000 (фірми Wild) точність характеризується середньою похибкою 0,5 сс. Цей теодоліт, показаний на рис. ІІ.3.8, має дві таблиці операційної клавіатури для введення даних, виконання потрібних операцій і відображення результатів. Окреме гніздо дає змогу під'єднати реєстратор інформації GRE (модуль пам'яті), який співпрацює з теодолітом Т2000. Найновіші типи реєстраторів дають змогу вводити і виводити додаткові дані, наприклад, про нумерацію пунктів, знайти та випра­вити записані дані чи закодувати їх. Використовуючи нескладну програму, можна обчислити координати пунктів, що спостерігаються, або визначити рухи цих пунктів у тривимірному просторі.

11.3.4. Будова оптичних та електронних теодолітів та тахеометрів

Рис. 11.3.9. Теодоліт серії ЗТ

Оптичні та електронні теодоліти, які, по суті, є тахеометрами, оскільки мають не тільки горизонтальні, але й вертикальні круги та оптичні віддалеміри, складаються здебільшого з тих самих вузлів та деталей, що й оптично-механічні теодоліти. Основна відмінність оптичних теодолітів, як вже зазначалось, тільки в тому, що в них вмонтовані не металеві, а скляні круги. Перехід до скляних кругів дав змогу створити нові відлікові пристрої, а саме розглянуті вище штрихові та шкалові мікроскопи, оптичні односторонні та двосторонні мікрометри. На рис ІІ.3.9 показаний оптичний теодоліт серії ЗТ Уральського оптично-механічного заводу (Росія). У серію входять ЗТ2КП (К -компенсатор, П - пряме зображення труби), ЗТ2КА (з автоколіматором), ЗТ5КП. Точність вимірювання горизонтальних кутів одним прийомом -відповідно 2" та 5", ціна поділки шкали відлікового пристрою 1", похибка відліку 0,1". Збільшення труби 30^х.

Планові геодезичні мережі

Назва частин ЗТ

 

1.	Ручка для перенесення.
2.	Підставки труби.
3.	Навідний гвинт труби.
4.	Закріпний гвинт труби.
5.	Навідний гвинт алідади.
6.	Підставка теодоліта.
7.	Гвинти горизонтування приладу (підіймальні гвинти).
8.	Трегер - носій приладу.
9.	Закріпний гвинт лімба.
10.	Циліндричний рівень.
11.	Дзеркало підсвічування.
12.	Лінза об'єктива труби.

Головними частинами оптичних теодолітів є лімб та алідада, вертикальні осі обертання лімба та алідади, підставки труби (горизонтальна вісь обертання труби, на яку встановлюють вертикальний круг, зорова труба, рівні сферичні та циліндричні, компенсатор нахилу, закріпний гвинт лімба на підставці).

Подальше вдосконалення відлікових пристроїв, їхня автоматизація завдяки заміні градусних поділок кругів на кодові позначки перетворили оп­тичні теодоліти на електронні (цифрові, які відображають відліки на елект­ронному дисплеї). Як вже відзначалося, приймаючи термінологію, запро­ваджену фірмами-лідерами виробництва геодезичного обладнання, будемо також називати такі прилади електронними тахеометрами, а не теодолітами, тільки тоді, коли у них вмонтовані електронні світловіддалеміри.

Використовують два способи поєднання електронних теодолітів з елект­ронними світловіддалемірами. Перший з них полягає в поєднанні віддалемірної і кутомірної частин в одну систему вимірювань, що має спільну будову і багато спільних елементів (спільна зорова труба, мікропроцесор, фазометр, клавіатура, реєстратор, до складу якого входить також зовнішній комп'ютер). Такі системи називають інтегрованими тахеометрами.

Другий спосіб полягає у поєднанні окремо сконструйованих світловід-далеміра та теодоліта (оптичного або електронного). У такому поєднанні тео­доліт є одним елементом (модулем), а світловіддалемір - другим. Тоді це модульний тахеометр.

Ці два модулі поєднуються із зовнішнім реєстратором або комп'ютером. В обох цих модулях спільним є відбивач, візирні марки та інші дрібні деталі. Модулі можуть працювати незалежно як теодоліт та світловіддалемір.

Розділ II

У нових інтегрованих тахеометрах застосовуються тільки фазові світло-відцалеміри, а для кутових вимірювань - один з методів електронного вимірювання кута: кодовий, імпульсний або (найчастіше) - динамічний. Саме у інтегровані тахеометри вмонтовано потужні внутрішні комп'ютери, які здатні відображати на дисплеї не тільки кути та довжини, але й просторові координати пунктів і розв'язувати цілу низку інженерно-геодезичних задач. їх називають тотальними станціями. На рис. П.3.10 зображено компактну тотальну станцію SET-GE фірми Sokkia.

 

 

Рис. 11.3.10. Тотальна станція SET-GE фірми Sokkia

Назва частин SET-GE

1. Позначка середини приладу.

2. Ручка для перенесення.

3. Позначка висоти приладу.

4. Гвинт горизонтування приладу (підіймальний).

5. Підставка (трегер).

6. Гвинт регулювання сферичного рівня.

7. Сферичний рівень.

8. Окуляр оптичного виска.

9. Лінза об'єктива.

10. Гніздо орієнтир-бусолі.

11. Гвинт кріплення ручки для перенесення.

12. Батарея BDC 25.

13. Увімкнення напруги.

Планові геодезичні мережі

14. Гніздо відбирання даних.

15. Закріпний гвинт алідади.

16. Навідний (мікрометричний) гвинт алідади.

17. Клавіатура.

18. Дисплей.

19. Циліндричний рівень алідади.

20. Гвинт регулювання (виправний) циліндричного рівня.

21. Закріпний гвинт труби.

22. Навідний (мікрометричний) гвинт труби.

23. Окуляр труби.

24. Кільце фокусування труби по предмету.

25. Оптичний візир.

На рис. П.3.11 показана клавіатура у збільшеному вигляді. Тахеометр SET-GE приваблює простотою клавіатури. Він має тільки шість клавіш. Нижче на рис. ІІ.3.12 подана система основних функцій клавіатури.

Керівна клавіша має п'ять робочих клавіш. Робочі клавіші доступні (здатні виконувати функції) тільки після натиснення клавіші shift, скорочено SHFT. Цій клавіші дамо номер 6.

Отже, керівна клавіша SHFT має п'ять головних функцій:

1. Встановлення величин, що будуть вимірюватися.

2. Контроль відбитого (зворотного) сигналу та запуску/зупинки вимі­рювань.

3. Встановлення виду вимірювання (М або Т) (М - поодинокий, багаторазовий; Т - до рухомого об'єкта).

4. Зміни розмірності величин.

Освітлення дисплея і сітки ниток (вмикає/вимикає) та затримання відображення горизонтального кута на дисплеї.

Рис. 11.3.11. Клавіатура тахеометра SET-GE

Кожна з п'яти робочих клавіш виконує дві-три функції. Нижче подано перелік функцій робочих клавіш (табл. ІІ.З.З).

 

Розділ II

Таблиця II. 3.3