BUDOWA TEODOLITÓW. SYSTEMY ODCZYTOWE

Teodolity to instrumenty geodezyjne wykorzystywane do pomiarów k�tów poziomych

i pionowych. Obecnie najcz��ciej wykorzystuje si� w pomiarach teodolity (tachimetry Total

Station) z elektronicznym systemem pomiarowym, rejestruj�ce warto�ci kierunków

poziomych czy pionowych w sposób ci�gły.

Na tym jednak etapie rozdział zostanie po�wi�cony klasycznym teodolitom, jak Theo

020B czy Theo 010, które s� wyposa�one w analogowy jednomiejscowy i dwumiejscowy

system odczytowy. Celem takiego a nie innego przedsi�wzi�cia nie jest ucieczka od nowych

rozwi�za� technologicznych, lecz potrzeba zrozumienia problematyki dotycz�cej budowy i

systemów odczytowych od podstaw.

Zanim jednak przejdziemy do omawiania poszczególnych systemów odczytowych, w

pierwszej kolejno�ci zachodzi potrzeba przedstawienia szczegółowej budowy teodolitów.

Budowa ta zostanie zaprezentowana na podstawie teodolitu z jednomiejscowym systemem

odczytowym Theo 020B. Na rys. 1 przedstawiono widok teodolitu Theo 020B z

wyeksponowaniem poszczególnych jego najwa�niejszych elementów składowych.

Poni�ej wymieniono a nast�pnie szczegółowo opisano elementy składowe teodolitu

Theo 020B wyró�nione na rys. 1.

1. Spodarka

2. �ruby poziomuj�ce

3. Płytka spr��ynuj�ca

4. �ruba dociskowa

5. Pion optyczny

6. Okular pionu optycznego

7. Alidada

8. Limbus

9. Sprz�g repetycyjny

10. Libela alidadowa

11. Libela okr�gła

12. Leniwka alidady

13. Zacisk alidady

14. Zacisk lunety

15. Leniwka lunety

1

Rys. 1. Widok teodolitu z jednomiejscowym systemem odczytowym Theo 020B.

16. D�wigary

17. Kr�g pionowy

18. Celownik kolimatorowy

19. Luneta

20. Obiektyw lunety

21. Okular lunety

22. Pier�cie� ogniskuj�cy

23. Lunetka systemu odczytowego

24. Okular lunetki systemu odczytowego

25. Lusterko o�wietlaj�ce system odczytowy

26. Przeł�cznik kr�gu poziomego i pionowego

23 24 16 26 14 13 5 12 6 4 15 2 3

20 19 25 7,8

18 17 22 21 10 11 9

Podstaw� teodolitu jest spodarka (1). Mo�e by� ona wbudowana w instrument albo

te� stanowi� doln� niezale�n� cz��� teodolitu (najcz��ciej stosowane). Mówimy wówczas o

spodarce wymiennej. Aby oddzieli� górn� cz��� teodolitu od spodarki nale�y odkr�ci� �rub�

dociskow� (4) a nast�pnie wyj�� czop osiowy instrumentu z tulei spodarki. Zakładaj�c, �e

wcze�niej spodarka została spoziomowana, mo�emy teraz wsadzi� do niej tarcz� celownicz�.

Wykorzystuje si� ten schemat przy pomiarze k�tów metod� trzech statywów.

W spodarce znajduj� si� 3 �ruby poziomuj�ce (2) zwane te� ustawczymi. To wła�nie

przy pomocy tych trzech �rub poziomujemy instrument, czyli doprowadzamy o� główn�

instrumentu do pionu. Na rys. 1 wida�, �e trzy �ruby poziomuj�ce s� poł�czone, a �ci�lej

mówi�c przechodz� przez trójk�tn� płytk� zwan� płytk� spr��ynuj�c� (3). Na �rodku tej

płytki znajduje si� otwór z gwintem, w który wkr�cana jest �ruba zaciskowa statywu.

Do ustawienia teodolitu nad punktem (scentrowanie instrumentu) słu�y pion

optyczny(5). Jest to element optyczny wbudowany w spodark� lub w alidad�, za pomoc�

którego mo�emy ustawi� znaczek centruj�cy (obserwowany w polu widzenia pionu

optycznego) nad punktem. Do ustawienia ostro�ci znaczka centruj�cego słu�y okular pionu

optycznego(6).

Przechodz�c do górnej cz��ci teodolitu nale�y wyró�ni� alidad� (7) jako element, na

którym znajduj� si� pozostałe cz��ci składowe teodolitu. Pod obudow� alidady znajduje si�

limbus(8). Jest to kr�g poziomy wykonany najcz��ciej ze szkła z naniesionym podziałem

k�towym. To wła�nie na limbus rzutowane s� kierunki ramion mierzonego k�ta a nast�pnie z

ró�nicy tych kierunków wyliczana jest warto�� k�ta.

Na alidadzie znajduj� si� dwie libele: libela alidadowa (10), zwana tak�e libel�

rurkow� oraz libela okr�gł� (11) zwana libel� sferyczn�. Libele te posiadaj� ampułki

wypełnione ciecz�, w których to znajduje si� p�cherzyk powietrza. Ampułki te maj�

wygrawerowane elementy, których punkt �rodkowy zwany jest punktem głównym G libeli.

Obie te libele słu�� do wyznaczania płaszczyzn poziomych. Wykonanie tej czynno�ci odbywa

si� za pomoc� wspomnianych ju� �rub poziomuj�cych. Je�eli p�cherzyk powietrza zajmie

poło�enie �rodkowe, tzn. znajdzie si� w punkcie G libeli, mówimy wówczas o

spoziomowaniu instrumentu. Ró�nica mi�dzy tymi libelami polega na tym, �e libela okr�gła

słu�y w pierwszej kolejno�ci do przybli�onego spoziomowania teodolitu a dopiero pó�niej

wykorzystujemy libel� rurkow� do dokładnego spoziomowania instrumentu.

Na alidadzie znajduje si� tak�e sprz�g repetycyjny (9), który sprz�ga limbus i alidad�.

Po wł�czeniu sprz�gu warto�� kierunku poziomego odczytana na limbusie nie ulegnie

zmianie mimo obrotu alidady wokół osi głównej instrumentu. Sprz�g repetycyjny jest

wykorzystywany do pomiaru k�tów metod� repetycyjn�.

Na alidadzie osadzone s� dwa d�wigary(16), na których z kolei osadzona jest

luneta(19). Przy lewym d�wigarze znajduje si� kr�g pionowy(17). Luneta jest to element

optyczny, za pomoc� którego obserwujemy wyznaczany cel. Dzi�ki wielokrotnemu

powi�kszeniu mo�emy obserwowa� znacznie oddalone obiekty. Jednymi z zasadniczych

elementów lunety jest obiektyw(20) i okular(21). Obserwator patrz�c do lunety od strony

okularu widzi w polu widzenia siatk� celownicz� w postaci krzy�a kresek (zwan� te� siatk�

kresek) – rys. 2.

Rys.2. Siatka celownicza widziana przez okular lunety.

Ostro�� siatki celowniczej mo�na ustawi� za pomoc� okularu lunety(21). Oprócz

siatki celowniczej w polu widzenia lunety znajduje si� równie� obraz rzeczywisty. Do

ustawienia ostro�ci widzianego obrazu słu�y pier�cie� ogniskuj�cy(22).

Jak ju� wcze�niej wspomniano luneta słu�y do obserwacji wybranych elementów,

celów. Aby dokładnie skierowa� lunet� na wybrany cel nale�y w pierwszej kolejno�ci za

pomoc� celownika kolimatorowego(18) umieszczonego na lunecie ustawi� j� w danym

kierunku w sposób przybli�ony a nast�pnie wykorzysta� leniwki alidady(12) i lunety(15) do

precyzyjnego ustawienia lunety. Leniwki te słu�� do bardzo powolnego przesuwania siatki

celowniczej w płaszczy�nie poziomej (leniwka alidady) i pionowej (leniwka lunety). Aby

jednak obie te leniwki spełniały swoje role, wcze�niej nale�y u�y� zacisków alidady(13) i

lunety(14). Zacisk alidady unieruchamia alidad� wzgl�dem spodarki uniemo�liwiaj�c tym

samym jej obrót wokół osi głównej instrumentu, natomiast zacisk lunety uniemo�liwia jej

obrót wokół własnej osi.

Jak ju� wspomniano na pocz�tku, teodolit słu�y do pomiaru k�tów poziomych i

pionowych. Warto�� k�ta obliczamy z ró�nicy dwóch kierunków. Do odczytywania warto�ci

wyznaczanych kierunków słu�y lunetka systemu odczytowego(23). Przed dokonaniem

odczytu nale�y nastawi� ostro�� systemu odczytowego. Słu�y do tego okular lunetki systemu

odczytowego(24). Aby jednak mo�na było wykona� odczyt z lunetki, cały system odczytowy

musi by� wła�ciwie o�wietlony. Umo�liwia to lusterko(25), które ustawione pod wła�ciwym

k�tem zapewnia optymalne na�wietlenie systemu odczytowego.

Na d�wigarze znajduje si� tak�e przeł�cznik kr�gu poziomego i pionowego (26).

Wykorzystujemy go gdy chcemy odczytywa� tylko warto�ci kierunków z limbusa lub obu

kr�gów jednocze�nie.

Z kolei na rys. 3 zilustrowano przekrój tego samego teodolitu (rys. 1) widzianego z

dwóch stron tzn. w pierwszym i drugim poło�eniu lunety. Rysunek ten jest zaczerpni�ty z

pracy kontrolnej studenta Wydziału Geodezji Górniczej i In�ynierii �rodowiska AGH

Przemysława Kurasa.

Rys. 3. Przekrój teodolitu z jednomiejscowym systemem odczytowym Theo 020.

Pewnym samosprawdzianem czytelnika mo�e by� porównanie rysunków 1 i 3 a

nast�pnie okre�lenie elementów składowych teodolitu na rys. 3 w oparciu o opisane i

zaznaczone elementy budowy teodolitu Theo 020 z rys. 1. Nale�y zaznaczy�, �e odno�niki na

rys. 1 nie pokrywaj� si� z odno�nikami na rys. 3.

Znaj�c ju� budow� teodolitów mo�emy przej�� do omówienia systemów

odczytowych stosowanych w Theo 020 i Theo 010. Celowo posłu�ono si� tu przykładem

tych dwóch instrumentów geodezyjnych, gdy� ka�dy z nich jest wyposa�ony w zupełnie inny

system odczytowy. Pierwszy z nich (Theo 020) zawiera jednomiejscowy a drugi (Theo 010)

dwumiejscowy system odczytowy. Jak ju� wcze�niej wspomniano cały system odczytowy

widoczny jest w lunetce systemu odczytowego, w której to obserwujemy obraz limbusa.

Ogólnie rzecz ujmuj�c mo�na powiedzie�, �e ró�nica mi�dzy jedno a dwumiejscowym

systemem odczytowym polega na tym, �e w teodolitach Theo 020 przez kr�g poziomy

promie� �wietlny przechodzi jeden raz, a w Theo 010 promie� ten przebija limbus

dwukrotnie. Przebieg tego procesu ilustruj� rys. 4 i 5

Rys. 4. Schemat układu optycznego jednomiejscowego systemu odczytowego

[J.Tatarczyk]

Krótko omawiaj� przebieg promienia (np. dla kr�gu poziomego Hz) widzimy, �e po

odbiciu od powierzchni lusterka wpada on do układu optycznego teodolitu. Załamuje si� pod

k�tem 900 w pryzmacie trójk�tnym (2) a nast�pnie po przej�ciu przez pryzmat dachowy (4)

zmienia swój bieg o 1800 i przebija kr�g poziomy (limbus) zabieraj�c ze sob� fragment opisu

z kr�gu Hz. Nast�pnie promie� wpada do obiektywu kr�gu poziomego przechodz�c przez

dwie soczewki p i r. Soczewki te s� odpowiedzialne za wyst�powanie bł�du paralaksy. Dalej

promie� pada na pryzmat trójk�tny załamuj�c si� o 900 a nast�pnie zmierza do skali,

pryzmatu pentagonalnego i ostatecznie do oka obserwatora.

Rys. 5. Schemat układu optycznego dwumiejscowego systemu odczytowego

[J.Tatarczyk]

W układzie optycznym przedstawionym na rys. 5, dla kr�gu Hz, widzimy, �e promie�

�wietlny odbijaj�c si� od lusterka pada na pryzmat trójk�tny (3) załamuj�c si� o 900 a

nast�pnie na pryzmat dachowy (9), gdzie zmienia swój bieg o 1800. Dalej przechodzi przez

limbus przebijaj�c go po raz pierwszy i zabieraj�c ze sob� jego obraz w punkcie A. Nast�pnie

promie� przechodzi przez system justuj�cy GHz po czym ponownie przebija kr�g poziomy

zabieraj�c tym razem fragment jego opisu w punkcie B. Ponownie przechodzi przez pryzmat

dachowy zmieniaj�c swój bieg o 1800 i wpadaj�c do obiektywu kr�gu poziomego, w którym

to znajduj� si� dwie soczewki p i r. Teraz na przeszkodzie stan�ł pryzmat W, który jest

odpowiedzialny za to, �e widzimy jeden z kr�gów: poziomy lub pionowy. Je�eli chcieliby�my

aby widoczny był obraz kr�gu Hz nale�y za pomoc� �ruby mikrometrycznej zmieni�

poło�enie pryzmatu W , który si� odchyli i promie� �wietlny dla kr�gu Hz b�dzie mógł

pokonywa� dalsz� drog�. Pada on nast�pnie na par� klinów nieruchomych i ruchomych, które

to s� powi�zane ze skal� mikrometru. Nast�pnie po przej�ciu przez pryzmat rozdzielczy R i

pentagonalny P wpada do oka obserwatora.

Mo�na powiedzie�, �e w efekcie ko�cowym, w jednomiejscowym systemie

odczytowym widzimy tylko jeden obraz kr�gu poziomego w postaci skali a w

dwumiejscowym dwa obrazy kr�gu poziomego. Przykład odczytu z jednomiejscowego

systemu odczytowego przedstawiono na rys. 6 a i dwumiejscowego na rys. 7a i 7b.

0 1 2 7 8 9 10

Rys.6.

Na rys. 6 odczyt wynosi 166g 94c 20cc. Jak dokonywa� odczytu? Otó� je�li chodzi o

grady to w polu widzenia widzimy tylko dwie kreski limbusa (w naszym przykładzie 166 i

167). Bierzemy jednak tylko t� warto�� kreski limbusa pod uwag�, która przecina skal�, czyli

166g. W przypadku warto�ci centygradów (c) nale�y policzy� ile najmniejszych pełnych

jednostek mamy od pocz�tku skali (od zera) do miejsca przeci�cia kreski limbusa na skali,

gdy� to wła�nie najmniejsza jednostka na skali to 1c. Dla ułatwienia co 10c mamy opisane na

skali warto�ci 1 (czyli 10c), 2 (czyli 20c) itd. Natomiast warto�ci decymiligradów (cc) nale�y

oszacowa�. Bierzemy pod uwag� t� jedn� jednostk�, przez któr� przechodzi kreska limbusa i

oceniamy czy przechodzi ona bli�ej warto�ci 94c czy 95c. Nale�y pami�ta�, �e decymiligrady

(cc) szacujemy z dokładno�ci� co 20cc, czyli ko�cówka mo�e osi�ga� warto�ci 00cc, 20cc, 40cc,

60cc lub 80cc.

Dwumiejscowy system odczytowy został zaprezentowany dla teodolitu Theo 010B

(rys. 7a) i Theo 010 (rys. 7b)

149

7

8 30

8 20

008

8 10

7 90

7 80

A

B

Rys.7a.

7

8

7

8

8

8

7978

279 278

A

B

8

9

0

1

2

3

Rys. 7b.

Na rys. 7a odczyt wynosi 149g 77c 85cc. W pierwszej kolejno�ci nale�y doprowadzi�

do koincydencji obrazy kr�gów A i B za pomoc� �ruby mikrometrycznej. Dopiero teraz

mo�emy dokona� odczytu. W lewym górnym okienku odczytujemy warto�� gradów – 149g.

Warto�ci dziesi�tek centygradów (c) – 70c - odczytujemy z jednego z dwóch poł�czonych ze

sob� okienek prostok�tnych. Nale�y zaznaczy�, �e w jednym okienku prostok�tnym

odczytujemy warto�ci parzyste a w drugim odczytuje si� warto�ci nieparzyste. Nast�pnie ze

skali mikrometru odczytujemy jednostki centygradów (c) – 7c - oraz pełn� warto��

decymiligradów (cc) – 85cc. Odczyt na skali mikrometru wyznacza poprzeczna kreska

indeksowa. Po lewej stronie skali mikrometru umieszczone s� warto�ci jednostek

centygradów (c) a po prawej warto�ci decymiligradów (cc). Najmniejsza jednostka na skali

mikrometru to 2cc, wi�c mo�emy, tak jak w przykładzie, oszacowa� t� warto�� z dokładno�ci�

dwukrotnie wi�ksz�, czyli do 1cc.

Na rys. 7b odczyt wynosi 78g 87c 85cc. W pierwszej kolejno�ci nale�y doprowadzi� do

koincydencji obrazy kr�gów A i B za pomoc� �ruby mikrometrycznej. W tym przypadku

warto�ci gradów - 78g – odczytujemy z obrazu kr�gu A. Bierzemy pod uwag� t� warto��

gradów, która ró�ni si� o 200g wzgl�dem warto�ci gradów widocznej na obrazie kr�gu B,

zlokalizowanej na prawo wzgl�dem warto�ci z kr�gu A - 278g. Nast�pnie odczytujemy

warto�ci dziesi�tek centygradów (c) – 80c. W tym celu liczymy ile jednostek znajduje si�

mi�dzy odczytem 78g a 278g. Ka�d� tak� jednostk� traktujemy jako warto�� 10c. W naszym

przypadku liczba jednostek mi�dzy 78g a 278g wynosi 8, st�d 80c. Nale�y jednak podkre�li�,

�e w rzeczywisto�ci najmniejsza jednostka to 20c. Odczytujemy jednak t� jednostk� jako 10c,

gdy� przy doprowadzaniu do koincydencji obrazy kr�gów A i B �rub� mikrometryczn�,

obrazy te przemieszczaj� si� w przeciwnych kierunkach. Pokonuj� wi�c połow� drogi aby

doprowadzi� je do koincydencji. Dlatego te� warto�ci tych jednostek dzielimy przez połow�,

czyli otrzymujemy 10c. Na ko�cu odczytujemy jednostki centygradów – 7c – i pełn� warto��

decymiligradów – 85cc. Wykonujemy to na skali mikrometru w taki sam sposób jak przy

omawianiu rys. 7a.