BUDOWA TEODOLITÓW. SYSTEMY ODCZYTOWE · Jak ju wspomniano na pocztku, teodolit słuy do pomiaru...
Transcript of BUDOWA TEODOLITÓW. SYSTEMY ODCZYTOWE · Jak ju wspomniano na pocztku, teodolit słuy do pomiaru...
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.