Теодолит

Теодолит (середина XX века)

Теодоли́т — уг­ло­мер­ный прибор для из­ме­ре­ния го­ри­зон­таль­ных и вер­ти­каль­ных уг­лов, при­ме­ня­ющий­ся при гео­де­зических и марк­шей­дер­ских съём­ках, в строи­тель­ст­ве и других отраслях. При использовании для географической съёмки теодолит может помочь определить расстояние и высоту объекта, например, холма или горы. Измеряя горизонтальный угол относительно истинного севера объекта из двух разных мест, находящихся на известном расстоянии друг от друга, расстояние можно рассчитать с помощью тригонометрии. Когда расстояние известно, высоту можно определить таким же образом, измерив вертикальный угол объекта относительно горизонта.

История

Термин «теодолит» впервые применён англичанином Томасом Диггсом в 1552 году при описании инструмента для измерения горизонтальных углов на основе астролябии. Прибор, измеряющий не только горизонтальные, но и вертикальные углы, создан в Германии И. Габермелем в 1576 году. Первый теодолит, обладавший всеми характерными чертами современных приборов, построил английский механик Джон Сиссон в 1730 году.

У первых теодолитов в центре угломерного круга на остриё иголки помещалась линейка, которая могла свободно вращаться на этом острие (как стрелка компаса). В линейке сделаны вырезы и в них натянуты нити, играющие роль отсчётных индексов. Центр угломерного круга помещали в вершину измеряемого угла и надёжно его закрепляли. Поворачивая линейку, совмещали её с первой стороной угла и брали отсчёт N1 по шкале угломерного круга. Затем совмещали линейку со второй стороной угла и брали отсчёт N2. Разность отсчётов N2 и N1 равна значению угла. Подвижная линейка называлась алидадой, а сам угломерный круг назывался лимбом. Для совмещения линейки-алидады со сторонами угла применялись примитивные визиры.

Теодолит. 1840-е гг. Ижорские заводы. Государственный Эрмитаж. Применялся в строительстве и в геодезических работах для определения направлений и для измерения углов.

К 1930-м годам и в Советском Союзе заводы «Геофизика» и «Аэрогеоприбор» начали выпускать серийно высокоточные триангуляционные теодолиты, астрономические универсалы и нивелиры, а к началу Второй мировой войны и все другие виды геодезического оборудования. О размахе работы геодезистов: во время войны выпущено 38 миллионов специальных топографических карт.

Современные теодолиты, сохранив идею измерения угла, конструктивно значительно отличаются от старинных теодолитов. Во-первых, для совмещения алидады со сторонами угла используется зрительная труба, которую можно вращать по высоте и по азимуту. Во-вторых, для отсчёта по шкале лимба имеется отсчётное приспособление. В-третьих, вся конструкция теодолита закрыта прочным металлическим кожухом.

Устройство теодолита

Визирная труба предназначена для наведения на цели исследуемого объекта. Она включает объектив, окуляр, сетку нитей и фокусирующее устройство с кремальерой. Для получения чёткого изображения объекта осуществляется вращение кремальеры, а для уточнения изображения сетки — окуляра. В паре с визирной трубой работает отсчётный микроскоп (шкальный или штриховой), который обеспечивает высокое увеличение и используется для считывания показаний горизонтального и вертикального кругов. Первоначальное наведение на объект осуществляется с помощью установленного визира на трубе.

Визирная труба, установленная на подставке, может поворачиваться вокруг горизонтальной оси, а изменения её наклона фиксируются на шкале вертикального круга. Подставка с трубой также может вращаться вокруг вертикальной оси, и угол поворота отмечается на шкале горизонтального круга. Отсчётный микроскоп передаёт изображение угловых параметров по шкалам. В некоторых моделях присутствует компенсатор, который помогает поддерживать точность измерений при наклоне вертикального круга. В большинстве геодезических приборов изображение подаётся в перевёрнутом виде, но существуют теодолиты с прямым изображением.

Теодолит УВК-М

Горизонтальный отсчётный круг включает две основные шкалы: лимб и алидаду. Лимб представляет собой статичный угломерный круг с делениями от 0 до 360°, тогда как алидада — подвижный круг с отсчётным устройством для считывания по лимбу. Для установки и корректировки горизонтальных отсчётных кругов теодолита используется цилиндрический уровень. Для настройки прибора перед измерениями служит оптический центрир или отвес, который подвешивается на крюке, расположенном внизу трегера. Правильная установка устройства на поверхности достигается с помощью штатива.

Теодолиты по точности

По точности измерений теодолиты можно разделить на четыре группы:

• высокоточные со средней квадратической ошибкой не ниже 1'';
• повышенной точности со средней квадратической ошибкой от 1,5'' до 3'';
• средней точности со средней квадратической ошибкой от 3'' до 20'';
• технические — обеспечивают точность измерения горизонтального угла одним приёмом со средней квадратической ошибкой от 20′′ до 1'.

Теодолиты имеют четыре модификации:

• К — наличие компенсатора;
• П — наличие прямого изображения;
• М — приспособление для маркшейдерии;
• А — наличие автоколлиматора.

Литера Т означает название прибора — теодолит. Числа 5, 15, 30 и другие характеризуют точность измерения угла одним приёмом (в секундах).

Виды теодолитов

В зависимости от конструкции и принципа действия теодолиты классифицируются на следующие типы:

1. Оптический теодолит оборудован визирной оптической трубой. Распространённый вариант инструмента, который имеет множество достоинств: доступную стоимость, возможность функционирования без аккумуляторов, что обеспечивает независимость от электросети, а также стабильность работы в неблагоприятных погодных условиях и при различных температурах. Среди недостатков можно выделить необходимость ведения сложного полевого журнала и относительно низкую скорость проведения измерений.
2. Электронный (или цифровой) теодолит может конвертировать проведённые замеры в код, что позволяет выводить результаты на экран устройства. Это обеспечивает быструю и высокоточную работу, а интуитивно понятное меню упрощает использование инструмента для специалистов с разной квалификацией. Ключевым преимуществом является исключение ошибок при снятии показаний оператором (геодезистом). Однако к недостаткам можно отнести необходимость периодической зарядки аккумуляторов и сравнительно высокую стоимость прибора.
3. Механический теодолит. Прибор с механической системой наведения, не имеющий электронных или оптических деталей.
4. Лазерный теодолит. Является электронным теодолитом со встроенным лазером.

Приведение теодолита в рабочее положение

Приведение теодолита в рабочее положение предусматривает:

• Центрирование заключается в том, чтобы установить центр горизонтального круга точно над вершиной измеряемого угла. Это достигается с использованием нитяного отвеса или оптического центрира, с корректировкой ножек штатива и дальнейшим перемещением устройства на головке штативного крепления. Допустимая погрешность центрирования зависит от нужной точности работы и должна составлять не более трёх миллиметров при измерении горизонтальных углов, чтобы успешно решать большинство инженерных задач.
• Горизонтирование включает в себя приведение плоскости лимба горизонтального круга в горизонтальное положение, что подразумевает установку вертикальной оси вращения теодолита в отвес. Для достижения этого цилиндрический уровень располагают параллельно двум подъёмным винтам, медленно вращая их в противоположных направлениях, чтобы пузырёк уровня оказался в центре ампулы. Далее уровень поворачивается на 90 ° в сторону третьего винта, и его движение также корректирует расположение пузырька. Эти действия продолжаются до тех пор, пока пузырёк не будет отклоняться от центра ампулы более чем на одно деление. При измерении вертикальных углов отклонение пузырька не должно превышать половины деления.
• Чтобы подготовить зрительную трубу для наблюдений, вращают окуляр (в пределах от -5 до +5 диоптрий) для чёткого отображения сетки нитей на фоне, а затем корректируют предмет с помощью кремальеры. Если изображение предмета не совпадает с плоскостью сетки, при изменении положения глаза сетка будет проецироваться на разные точки, создавая параллакс, который устраняется незначительным поворотом кремальеры.

Геометрические условия теодолита, их поверка

Геометрические условия

Схематическое изображение осей и окружностей теодолита

Теодолит должен соответствовать определённым оптико–механическим и геометрическим условиям. Оптико–механическое условие гарантирует завод изготовитель, а геометрические условия подвержены изменениям в процессе работы, транспортировки, а также хранения приборов. Геометрические условия необходимо проверять после длительного хранения прибора и регулярно во время работы.

Основные геометрические условия теодолита:

1. Основная ось теодолита должна быть отвесна.
2. Лимб горизонтального круга должен быть горизонтален, визирная плоскость не должна быть отвесна. Для соблюдения выполнения этих условий производят поверки теодолита.

Поверка теодолитов

Для эффективного функционирования теодолитов требуется обеспечить высокую точность их производства, включая возможность проведения калибровки и наладки как отдельных компонентов, так и прибора в целом. Перед началом геодезических работ можно выделить три основных этапа поверки:

• проведение поверок на заводе-изготовителе с обязательной фиксацией соответствующей отметки в паспорте прибора;
• проверка в государственной метрологической службе с получением заключения, оформленного в виде свидетельства о рабочем состоянии устройства;
• приём инструмента в эксплуатацию с участием квалифицированных инженеров и специалистов в области геодезии и маркшейдерии.

Ось цилиндрического уровня алидады горизонтального круга должна быть перпендикулярна к оси вращения алидады

Изображение углов в теодолите

Перед проведением поверки теодолита необходимо осуществить предварительное нивелирование. Для этого уровень устанавливается параллельно оси двух подъёмных винтов, а затем с помощью вращения винтов в разные стороны пузырёк уровня приводят в нулевую позицию. После этого верхняя часть прибора поворачивается на 90 º, и с помощью третьего винта пузырёк уровня корректируют в центр.

Последовательность поверки включает следующие шаги: установка уровня в одной плоскости с двумя подъёмными винтами, после чего, вращая их в разных направлениях, достигают нулевого положения пузырька. Затем ослабляется фиксирующий винт алидады и верхнюю часть теодолита поворачивают на 180 º. Условие считается выполненным, если пузырёк уровня остался в центре или сместился менее чем на одну деление; в противном случае потребуется юстировка.

Процесс юстировки включает использование исправительных винтов для перемещения пузырька к нулевой точке на половину дуги отклонения, оставшуюся половину устраняют подъёмными винтами. Эти действия повторяются, пока отклонение пузырька от центра не превысит одно деление. Исправительные винты корректируются специальной шпилькой, а для перемещения пузырька ослабляется верхний винт и подтягивается нижний. Настройка начинается с ослабления одного из винтов, который вращают в одном направлении.

Одна из нитей сетки должна находиться в вертикальной плоскости

Для проверки и установки правильной юстировки можно использовать отвес, расположенный на расстоянии 5—10 м от инструмента. Если нить сетки не совпадает с показанием отвеса в поле зрения трубы, необходимо снять колпачок, немного ослабить четыре винта, которые соединяют окулярную часть с корпусом трубы и поворачивать окулярную часть с сеткой до достижения нужного положения. После этого закрепить винты и вернуть колпачок на место.

По завершении юстировки вторая нить сетки должна быть в горизонтальном положении. Для проверки этого следует навести нить на некоторую точку и вращать алидаду с помощью наводящего винта по азимуту; при этом нить должна оставаться на указанной точке. Если это не так, юстировку потребуется повторить.

Визирная ось должна быть перпендикулярна оси вращения зрительной трубы

Угол отклонения визирной оси трубы от перпендикуляра к горизонтальной оси теодолита обозначается как коллимационная погрешность (с). Для проверки этого условия выбирается удалённая, чётко видимая точка, находящаяся примерно на одном уровне с осью вращения трубы. Сначала визируют на точку; после первого измерения (R) по лимбу горизонтального круга зрительную трубу переводят через зенит и снова наводят на точку, беря второе измерение (L). При отсутствии коллимационной погрешности выполняется равенство:

Оптический Теодолит

L – R ± 180° = 0, где L и R — отсчёты при положениях вертикального круга слева (КЛ) и справа от наблюдателя (КП).

Коллимационная погрешность не должна превышать двойной точности измерительного устройства теодолита (1′). Чтобы исправить недопустимую коллимационную ошибку, необходимо устанавливать алидаду на одно из значений, рассчитанных по следующим формулам:

NR = R + c (при Круге Право) или NL= L – c (при Круге Лево).

После установки центр сетки нитей сместится относительно наблюдаемой точки на угол с. Чтобы устранить погрешность, корректируют положение сетки, используя исправительные винты, совмещая центр с точкой. Для поверки процедуру повторяют с другими отсчётами по лимбу.

Ось вращения зрительной трубы должна быть перпендикулярна оси вращения инструмента (алидады)

Выбирают на стене точку, расположенную под углом 25–30° к горизонту, наводят на нее зрительную трубу и закрепляют алидаду. Опускают трубу до горизонтального положения и отмечают на стене проекцию точки.

Поворачивают теодолит на 180°, переводят трубу через зенит, снова наводят перекрестие нитей на верхнюю точку и опускают трубу до горизонтального положения. Снова отмечают на стене проекцию точки. Если проекции совпали, то условие выполнено. В противном случае исправление производится в мастерской.

Место нуля вертикального круга теодолита должно быть постоянным

Место нуля (МО) — вычисленный отсчёт по вертикальному кругу при горизонтальном положении зрительной трубы, когда пузырёк уровня на алидаде горизонтального круга находится в нуль-пункте. Теодолит приводят в рабочее положение. Наводят трубу на точку и берут отсчёты по вертикальному кругу при положениях вертикального круга КЛ и КП.

При нарушении этого условия выполняют юстировку. Порядок юстировки: вычисляют «правильный» отсчёт по вертикальному кругу по формуле: КПпр= КП – МО или КЛпр= КЛ – МО. «Правильный» отсчёт устанавливают на вертикальном круге теодолита микрометренным винтом зрительной трубы. Так как горизонтальная нить сетки сместится с изображения наблюдаемой точки, то её возвращают на точку, вращением пары вертикальных исправительных винтов сетки нитей. После юстировки поверку повторяют.

Повторительный теодолит

Повторительный теодолит — имеет специальную повторительную систему осей лимба и алидады, позволяющую лимбу вместе с алидадой вращаться вокруг собственной оси раздельно и/или совместно. Такой теодолит позволяет, последовательным вращением алидады, несколько раз откладывать (повторять) на лимбе величину измеряемого горизонтального угла, что помогает увеличить точность измерений.

Неповторительные теодолиты

В неповторительных теодолитах лимбы полностью закреплены с подставкой, а поворот и закрепления его в разных положениях осуществляется при помощи закрепительных винтов либо приспособления для поворота. Такие теодолиты так же называют «механическими». Лимб изготовлен из металла и оснащается жидкокристаллическим дисплеем и системой датчиков. После того, как прибор устанавливается и выставляется по точкам, между которыми необходимо измерить угол, он самостоятельно определяет наклон и выводит его в цифровом значении на свой дисплей.

Фототеодолит

Фототеодолит — прибор, представляющий собой фотокамеру с ориентирующим устройством, служащим для ориентирования фотокамеры в нужном направлении. Участок местности фотографируют из двух точек. Расстояние между ними называется базисом фотографирования. В результате фотографирования местности на стеклянной фотопластинке, помещённой в кассету фотокамеры, фиксируется снимок — изображение местности и координатные метки.

Гиротеодолиты

Гиротеодолит — гироскопическое устройство для определения истинных (географических) азимутов направлений на местные предметы. Наряду с угломерной частью в виде оптического теодолита с автоколлимационной системой имеет гироблок, основная часть которого — тяжёлый гироскоп, являющийся датчиком направления истинного меридиана. Гиротеодолит применяется в системах прицеливания ракет, а также при прокладке туннелей, строительстве шахт и другое.

Применение

Топографическая съёмка теодолитом нужна при:

• прокладке дорог, мостов и тоннелей;
• создании геодезических сетей;
• определении уклона рельефа;
• строительстве подземных сооружений;
• разработке горных выработок;
• контроле деформации зданий и сооружений.

Съёмка теодолитом популярна в малом строительстве. С помощью неё проектируются инженерные сооружения: размечается фундамент, устанавливаются сваи и колонны, также возводятся частные постройки: дома, бани, гаражи.