Вертикальный круг теодолита

 

1. В соответствии с принципом измерения горизонтального и верти­кального углов конструкция теодолита должна включать следующие части.

Основной частью теодолита является механическая конструкция, состоящая из лимба 3 и алидады 2, которую обобщенно принято назы­вать горизонтальным кругом. В процессе измерения горизонтального угла плоскость лимба должна быть горизонтальной, а его центр — уста­навливаться на отвесной линии, проходящей через вершину измеряе­мого угла.

Отвесная линия ZZ, проходящая через ось вращения алидады гори­зонтального круга, называется осью вращения теодолита.

Ось вращения теодолита ZZ устанавливается в отвесное положение (плоскость лимба — в горизонтальное положение) по цилиндрическому уровню 9 с помощью трех подъемных винтов 1 подставки 10. Лимб и алидада снабжены зажимными (закрепительными) винтами, служащи­ми для закрепления их в неподвижном положении, и наводящими вин­тами для их медленного и плавного вращения. Визирование на наблюдаемые цели осуществляется зрительной трубой 5, визирная ось W которой при вращении трубы вокруг горизонтальной оси НН образует проектирующую плоскость, на­зываемую коллимационной. Зрительная труба соединена с алидадой горизонталь­ного круга с помощью колонки 4. На од­ном из концов оси вращения зрительной трубы закреплен вертикальный круг 5, на алидаде 6 которого имеется цилиндриче­ский уровень 7. Зрительная труба имеет закрепительный и наводящий винты.

При измерениях теодолит обычно ус­танавливается на штативе. Штатив состо­ит из металлической верхней части — головки и трех раздвижных (переменной длины) деревянных ножек. Концы ножек снабжены металлическими острыми нако­нечниками для вдавливания их в грунт и надежного закрепления штатива над точкой. Теодолит закрепляется на штативе становым винтом. К крючку станового винта привязывается нить отвеса, служащая продолжением вертикальной оси вращения прибора ZZ. С помощью отвеса теодолит центрируется над точкой, т. е. устанавливается таким образом, чтобы ось вращения прибора проходила через вершину измеряемого угла. Ста­новые винты изготавливаются полыми, что дает возможность использо­вать для центрирования теодолита над точкой оптические центиры. Рассмотрим подробнее основные части теодолита.

Горизонтальный круг теодолита предназначен для измерения гори­зонтальных углов и состоит из лимба и алидады. Лимб является основ­ной частью угломерного прибора и в оптических теодолитах представ­ляет собой стеклянное кольцо. На скошенном крае лимба с помощью делительной машины нанесены равные деления.

Величина дуги лимба между двумя ближайшими штрихами называ­ется ценой деления лимба. Цена деления лимба определяется по оциф­ровке градусных (или градовых) штрихов. Оцифровка лимбов обычно производится по часовой стрелке от 0 до 360°. Лимб закрывается метал­лическим кожухом, предохраняющим его от механических поврежде­ний, влаги и пыли.

Роль алидады в современных теодолитах выполняют специальные оптические системы, являющиеся отсчетными устройствами (отсчетными индексами). Алидада может вращаться вокруг своей оси совмест­но с верхней частью теодолита относительно неподвижного лимба; при этом отсчет по горизонтальному кругу изменяется. Если алидада вра­щается вокруг оси совместно с лимбом (зажимной винт алидады за креплен, а лимб — откреплен), то отсчет по горизонтальному кругу оста­ется неизменным.

Отсчетом по угломерному кругу называется угловая величина дуги между нулевым штрихом лимба и индексом алидады. Штрихи лимба, между которыми оказывается индекс, называются младшим и старшим штрихами. Для оценки интервала между младшим штрихом лимба и индексом служат отсчетные устройства.

В зависимости от типа и назначения приборов для взятия отсче­тов по лимбу применяются верньеры, штриховые (микроскопы-оцен­щики) и шкаловые микроскопы, оптические микрометры и микро­скопы-микрометры. В технических теодолитах старых конструкций с металлическими лимбами в качестве отсчетных устройств исполь­зовались верньеры, в оптических теодолитах применяются штрихо­вые и шкаловые микроскопы и реже — микрометры. Принцип дей­ствия указанных отсчетных устройств основан на способности глаза с высокой точностью воспринимать совпадение штрихов одной шка­лы со штрихами другой, а также оценивать десятые доли промежут­ка между штрихами.

Микроскоп-оценщик (штриховой микроскоп) — это отсчетное устройство, в котором интервал между младшим штрихом и индексом оценивается «на глаз» до десятых долей делений лимба (рис. 37). Изоб­ражения шкал и индекс рассматривают через окуляр микроскопа, который располагается рядом с окуляром зрительной трубы.

В теодолите ТЗО в поле зрения микро­скопа-оценщика строятся одновременно изображения шкал горизонтального и вертикального кругов с общим индексом. Отсчеты берут по одной стороне кругов с точностью до Г.

Шкаловый микроскоп широко ис­пользуется в современных технических и точных теодолитах с односторонним отсчитыванием по лимбу. В поле зрения такого микроскопа видны изображения лимба и шкалы, длина которой равна изображению наименьшего (обычно градусного) деления лимба. Индексом для отсчета служит штрих лимба, располо­женный в пределах шкалы.

На рис. 38, а показано поле зрения шкалового микроскопа теодолитов Т5 и Т15, имеющих шкалы для горизонтально-

го и вертикального кругов, каждая из которых разделена на 60 частей. Поскольку цена деления лимба 1°, одно деление шкалы соответствует 1'. При отсчете по микроскопу десятые доли наименьшего деления шкалы оцениваются на глаз с точностью до 0,Г.

В теодолитах Т15К, 2Т5К, 2Т30 и 4Т30П (рис. 38, б, в) отсчеты по го­ризонтальному кругу производятся по аналогии с предыдущим. Однако

шкала вертикального круга имеет два ряда цифр со знаками «+» и «-». По нижнему ряду со знаком «-» берут отсчеты в случаях, если в преде­лах шкалы находится штрих вертикального круга с тем же знаком.

У теодолитов 2Т30 и 4Т30П цена деления шкал отсчетного микроско­па (рис. 38, в) равна 5', отсчеты по угломерным кругам берутся с точно­стью 0,5'. У теодолита 4Т30П в экспортном варианте горизонтальный (Я) и вертикальный (V) угломерные круги разделены на 360°, а цена деления шкал микроскопа составляет 1', т. е. аналогично теодолитам Т15

и Т5 (см. рис. 38, а).

У теодолита 4Т15П отсчеты по угломерным кругам берутся с помо­щью микрометра, обеспечивающего высокую точность отсчитывания (рис. 38, г). Для этого вращением рукоятки микрометра ближайший штрих лимба вводят в середину бифилярного индекса, после чего берут отсчет по шкале микрометра соответствующего угломерного круга с

точностью до 1'.

Результаты отсчитывания по угломерным кругам с помощью рас­смотренных видов отсчетных устройств приведены на рис. 38.

На точность взятия отсчета по угломерным кругам оказывают влия­ние погрешности делений лимба, эксцентриситета алидады и некото­рые другие. Эксцентриситетом алидады называют несовпадение оси вращения теодолита (оси вращения алидады) с центром лимба. Это вызывает смещение отсчетного индекса или шкалы отсчетного микроскопа отно­сительно делений лимба, что влечет за собой взятие ошибочных отсче­тов по лимбу. У технических оптических теодолитов влияние эксцентри­ситета алидады на точность взятия отсчетов не учитывается из-за малого его значения по сравнению с погрешностью отсчитывания по лимбу. Кроме того, при взятии отсчетов по лимбу при положениях вертикаль­ного круга влево от зрительной трубы и вправо от нее среднее арифме­тическое из отсчетов будет свободным от эксцентриситета алидады.

 

2. Уровни служат для приведения осей и плоскостей геодезических приборов в горизонтальное либо вертикальное положение. В точных приборах с помощью накладных уровней измеряют незначительные (порядка нескольких секунд) углы наклона осей. Уровни применяются также в виде самостоятельных приборов при монтаже технологическо­го оборудования и в строительном деле. По форме различают цилинд­рические и круглые (сферические) уровни.

Цилиндрический уровень. Цилиндрический уровень (рис. 42, а) представляет собой стеклянную трубку (ампулу), внутренняя поверх­ность которой в вертикальном продольном разрезе имеет вид дуги АВ крута радиуса от 3,5 до 200 м.

При изготовлении уровня ампулу заполняют легкоподвижной жид­костью (серным эфиром или спиртом), нагревают и запаивают. После охлаждения внутри ампулы образуется небольшое пространство, запол­ненное парами жидкости, которое называется пузырьком уровня. Для защиты от повреждений ампула заключается в металлическую оправу, заполненную гипсом. Юстировка уровня, т. е. его установка на прибо­ре в требуемом положении, выполняется исправительными винтами.

На наружной поверхности ампулы наносятся деления через 2 мм (см. рис. 42, а). Средний штрих 0 шкалы принимается за нулевой и называется нуль-пунктом уровня. Касательная UU к дуге АВ внутрен­ней поверхности уровня в нуль-пункте называется осью уровня.

Если пузырек уровня находится в нуль-пункте, то ось уровня гори­зонтальна. При наклоне оси уровня его пузырек перемещается. Цент­ральный угол, соответствующий одному делению ампулы, называется ценой деления уровня

Следовательно, с помощью уровня можно измерять небольшие углы наклона линий, связанных с его осью. Если пузырек отклоняется от нуль-пункта на п делений, то угол наклона оси уровня к горизонту

v = nµ.

В геодезических приборах используют цилиндрические уровни с ценой деления от 1^э до 2'. Цена деления зависит от радиуса внутренней поверхности ампулы уровня и служит мерой чувствительности уров­ня, т. е. способности его пузырька быстро и точно занимать наивысшее положение. Кроме того, чувствительность уровня зависит от качества шлифовки внутренней поверхности ампулы, свойств заполняющей жидкости, ее температуры и длины пузырька уровня (длинный пузы­рек обладает большей чувствительностью, чем короткий).

Нормальная длина пузырька уровня составляет 30 — 40% длины ам­пулы при температуре + 20°. Для сохранения длины пузырька при изменении температуры используют компенсированные уровни (рис. 42, б) либо уровни с запасной камерой — камерные уровни (рис. 42, в). Прин­цип устройства компенсированной ампулы основан на сокращении объема заполнителя путем помещения в ампулу стеклянной трубки 1 с запаянными концами.

Камерный уровень кроме рабочей камеры имеет запасную камеру. Запасная камера 2 (см. рис. 42, в) такого уровня отделяется от рабочей стеклянной перегородкой с отверстием внизу. Наклоняя уровень, мож­но перемещать часть паров заполнителя из одной камеры в другую и тем самым регулировать длину пузырька. На некоторых приборах уста­навливают реверсивные (оборотные) уровни, позволяющие наблюдать пузырек при опрокидывании его на 180°.

Для повышения точности установки пузырька в нуль-пункт ис­пользуют контактные уровни. В таких уровнях изображение концов пузырька с помощью призменной системы передается в поле зрения трубы (рис. 42, г). Несовмещенное положение концов пузырька уров­ня соответствует наклонному положению оси цилиндрического уров­ня, совмещенное — горизонтальному. Опыт показывает, что точность контактного уровня обычно в 3 — 4 раза выше точности цилиндри­ческого.

Круглый уровень (рис. 43) представляет собой цилиндрический стек­лянный резервуар, внутренняя сторонакоторой является частью сферической поверхности определенного радиуса. Резервуар заполнен серным эфиром или спиртом и заключен в металлическую оправу, прикрепляемую к прибору тремя винтами.

На наружной поверхности резервуара выгравировано несколько окружностей с общим центром 0, являющимся нуль-пунктом круглого уровня.

Линия радиуса внутренней сферической поверхности, проходящая через нуль-пункт, называется осью круглого уровня. Если пузырек круглого уровня находится в нуль-пункте, т. е. расположен концентрично с окружностями, то его ось занимает отвесное положение.

Круглые уровни отличаются простотой конструкции и удобством в работе, но менее чувствительны, чем цилиндрические; обычно цена деления составляет 5' и более. Поэтому круглые уровни используются для предварительного приведения осей приборов в отвесное положение, а также в случаях, когда не требуется большой точности в установке приборов.

3. Вертикальный круг служит для измерения углов наклона и зенит­ных расстояний. В инженерной практике измеряют преимущественно утлы наклона.

Устройство вертикального круга. Вертикальный круг теодолита состоит из лимба и алидады. Лимб вертикального крута жестко закреп­лен на оси вращения зрительной трубы и вращается вместе с ней; при этом нулевой диаметр лимба (0° - 180° или 0° - 0° в зависимости от оциф­ровки лимба) должен быть параллелен визирной оси трубы. Алидада вертикального круга при вращении трубы остается неподвижной.

 

На алидаде вертикального круга закреплен цилиндрический уровень, который предназначен для приведения линий нулей (отсчетных индек­сов) алидады при измерении углов наклона в горизонтальное положе­ние. С этой целью перед взятием отсчетов по вертикальному кругу пузырек уровня должен быть приведен в нуль-пункт с помощью наво­дящего винта алидады.

Уровень укрепляется на алидаде таким образом, чтобы его ось U₂ — U₂ была параллельна линии нулей (нулевому диаметру) алидады 00 (рис. 44, а). При соблюдении этого условия после установки на лимбе нулевого отсчета и приведения пузырька уровня в нуль-пункт визир­ная ось зрительной трубы будет горизонтальна алидаде горизонтального круга, пузырек которого устанавливается в нуль-пункт подъемными винтами теодолита.

У многих оптических теодолитов (Т15К, Т5К) уровень при алидаде вертикального круга заменяет специальная оптическая система — ком­пенсатор, который автоматически устанавливает указатель отсчетного микроскопа (индекс шкалы) в необходимое положение.

В современных теодолитах используются две основные системы оцифровки вертикальных кругов:

1) азимутальная (круговая), при которой деления круга подписаны от 0 до 360° по ходу часовой стрелки (теодолит Т15, Т5) либо против хода часовой стрелки (теодолит ТЗО);

2) секторная, при которой вертикальный круг разбит на четыре сектора, из которых два диаметрально противоположных сектора име­ют положительную оцифровку, а два других — отрицательную (2Т30, Т15К, 2Т5 и др.). Подобная система надписей более удобна, так как от­счеты градусов получаются одинаковыми по обеим сторонам вертикаль­ного угла, что упрощает вычисления углов наклона.

Теория вертикального круга. Угол наклона представляет собой разность двух направлений в вертикальной плоскости. Одно из направ­лений должно соответствовать горизонтальному положению визирной оси зрительной трубы. В случае совпадения нулевых диаметров лимба и алидады (отсчетного устройства) при горизонтальном положении визирной оси трубы и оси цилиндрического уровня отсчет по верти­кальному кругу должен равняться нулю. Тогда отсчет по вертикально­му кругу при визировании на наблюдаемую цель дает значение угла наклона v. Однако на практике при горизонтальном положении визир­ной оси трубы VV и оси цилиндрического уровня U₂U₂ отсчет по верти­кальному кругу может оказаться равным не нулю, а некоторой величи­не, называемой местом нуля МО (рис. 44, б). Как следует из рис. 44, б, величина МО представляет собой угол, обусловленный непараллельно­стью нулевого диаметра алидады 00 и оси цилиндрического уровня, т. е. линии горизонта.

Местом нуля МО вертикального круга называется отсчет по вер­тикальному кругу при горизонтальном положении визирной оси трубы и оси цилиндрического уровня при алидаде вертикального круга.

Если место нуля заранее неизвестно, то угол наклона v и МО можно определить по результатам двух отсчетов, полученных при визирова­нии на наблюдаемую цель при двух положениях вертикального круга относительно зрительной трубы (со стороны окуляра): «круге право» (КП) и «круге лево» (КЛ). При этом вид формул, по которым вычисляют значения v и МО, зависит от системы оцифровки лимба вертикального круга.

1. Азимутальная оцифровка лимба (теодолиты Т15 и Т5). Как видно из рис. 44, в, при визировании на точку М при двух положениях трубы (КП и КЛ) угол наклона v можно определить из отсчетов по вертикаль­ному кругу и значению МО

При вычислениях по всем в формулам следует руководствоваться следующим правилом: к величинам отсче­тов КП, КЛ и МО, меньшим 90°, необходимо прибавлять 360°.

2. Секторная оцифровка лимба вертикального круга от нуля в обе стороны — по ходу и против хода часовой стрелки (теодолиты 2Т30, 2Т15, 2Т5 и др.).