Изучение теодолита

Лабораторная работа

Тема: изучение теодолита.

Цель работы: изучить основные элементы теодолита При составлении карт, планов и профилей на местности приходится измерять горизонтальные и вертикальные углы, расстояния и превышения между точками. При выносе запроектированных сооружений на местность и при строительстве их нужно уметь построить на местности заданные горизонтальные и вертикальные углы, расстояния и превышения. Для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов, магнитных азимутов с помощью буссолей, а также расстояний нитяным дальномером и превышении способом тригонометрического нивелирования предназначены теодолиты. Теодолит — геодезический прибор, предназначенный для определения направлений и измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах, топографических и маркшейдерских съёмках, в строительстве и т. п. Основной рабочей мерой в теодолите служат горизонтальный и вертикальный круги с градусными минутными и секундными делениями.

Теодолиты бывают: высокоточные — Т1; точные — Т2 и Т5; технической точности — Т15 и Т30. Обозначения: Т — теодолит, а цифра — точность измерения углов, выраженную в секундах.

Устройство теодолита и работу с ним необходимо знать инженеру-строителю. В данной работе мы будем изучать теодолит технической точности 4Т30П.

Задание 1. Изучение основных частей, деталей, осей теодолита

Рассмотрим устройство теодолита технической точности 4Т30П: 4 — модификация теодолита, П — обозначает, что труба теодолита дает прямое изображение (рис. 1).

Рисунок 1 — Теодолит 4Т30

Теодолит 4Т30 — это сложный прибор, состоит из следующих частей:

— горизонтального (21) и вертикального (5) стеклянных кругов с градусными делениями (под кожухом), по которым и измеряются углы;

— зрительной трубы (8), вращающейся вокруг горизонтальной оси, укрепленной на колонках (10) алидады горизонтального круга;

— подставки (2) с тремя подъемными винтами (1, 17), при помощи которых ось вращения теодолита приводится в отвесное положение. Для этого же используется цилиндрический уровень (14) на алидаде горизонтального круга.

Для предварительного наведения зрительной трубы на цель на трубе закреплен визир (17); с другой стороны зрительной трубы находится высокоточный цилиндрический уровень (20), позволяющий использовать теодолит 4Т30 в качестве нивелира. Рядом со зрительной трубой находится отсчетный микроскоп (4), в который передаются изображения отсчетов по вертикальному (В) и горизонтальному (Г) кругам. Для получения этих отсчетов нужно при помощи зеркальца подсветки, находящегося на одной из колонок, запустить свет в оптическую систему теодолита.

В комплекте с теодолитом имеются: штатив, ориентир-буссоль (6, 22), окулярные насадки (25): штатив нужен для установки теодолита над вершиной измеряемого угла; ориентир-буссоль позволяет на местности измерять магнитные азимуты линий; окулярные насадки, надеваемые на окуляры зрительной трубы и отсчетного микроскопа, позволяют наблюдать предметы, расположенные под углом более 45^о к горизонту, и выполнять измерения на эти предметы. Зрительная труба теодолита может переводиться через зенит и окуляром, и объективом. Ее фокусирование на цель осуществляется вращением кремальеры (11). Вращением диоптрийного кольца (3) добиваются резкой видимости сетки нитей (рис. 2).

Рисунок 2 — Диоптрийное кольца Два горизонтальных коротких штриха сетки нитей выше и ниже перекрестия горизонтальной и вертикальной нитей представляют собой нитяной дальномер. Корпус зрительной трубы составляет единое целое с горизонтальной осью, установленной в лагерах колонок (10). Коллиматорный визир (7) предназначен для грубой наводки трубы на цель. При пользовании визиром глаз должен быть на расстоянии 25−30 см от него. Точное наведение зрительной трубы на предмет в горизонтальной плоскости осуществляется наводящим винтом (16) после закрепления алидады винтом (15), а в вертикальной плоскости — наводящим винтом (12) после закрепления трубы винтом (9). Для того чтобы теодолит плавно поворачивался вместе с горизонтальным кругом (лимбом), необходимо вращать наводящий винт лимба на подставке. При этом закрепительный винт лимба (19) должен быть зажат. Горизонтальный и вертикальный круги разделены через 1^о. Горизонтальный круг (лимб) имеет круговую оцифровку от 0^о до 359^о по направлению часовой стрелки, а вертикальный — секторную, от 0^о до 75^о и от -0^о до -75^о. Изображение штрихов и цифр обеих кругов передаются в поле зрения отсчетного микроскопа, окуляр (4) которого устанавливается по глазу до появления четкого изображения шкал вращением диоптрийного кольца микроскопа. Отсчет по кругам производится по соответствующим шкалам микроскопа (В — вертикальная, Г — горизонтальная). Пример отсчета по шкале горизонтального круга (лимба) приводится на рис. 3.

Рисунок 3 — Отсчет по шкале горизонтального круга (лимба) Отсчет берется следующим образом. Количество градусов соответствует надписи штриха лимба, который проектируется на шкалу. А количество минут определяется как дуга от нулевого деления шкалы до градусного штриха лимба. При этом нужно помнить, что цена деления шкалы равна 5 минутам, так на рис. 3 отсчет равен 124^о37'. Установка теодолита в рабочее положение (нивелирование), когда ось вращения теодолита становится отвесной, производится вращением подъемных винтов подставки (1, 17) с использованием цилиндрического уровня на алидаде (14).

Оси теодолита служат для вращения и перемещения отдельных частей инструмента и образуют осевые системы, обеспечивающие сохранение и определение частей инструмента во время измерений. При конструировании осей и системы осей должны быть обеспечены:

а) точность совмещения осей (центрированность), их взаимная перпендикулярность или параллельность;

б) правильность вращения иди перемещения в пределах требуемой точности в условиях меняющейся температуры, трения и т. п.;

в) постоянство формы и. размеров деталей осевой системы в процессе длительной эксплуатации.

Обеспечить эти характеристики можно, если оси имеют правильную форму и небольшие зазоры в кинематических парах, что обеспечивает хорошее направление. Применяются конические и цилиндрические оси. В первом направление оси обеспечивает коническая поверхность, во втором — цилиндрическая. Конические оси обеспечивают хорошее направление, просты в изготовлении, но при большом весе инструмента могут давать заклинивание, не обеспечивают точное положение подвижных частей относительно неподвижных в направлении оси. При большом весе делается разгрузочное устройство в виде упорного подшипника (шарика). Цилиндрические оси обеспечивают хорошее направление только при малых зазорах, которые необходимо обеспечить при их изготовлении. Зазоры должны обеспечивать удержание смазки и оси не должны заклинивать при изменении температуры. Поэтому ось и втулка изготавливаются из одного куска материала и имеют соответствующую термообработку. Зазор делается порядка 0,5 мкм, что обеспечивает направление оси с точностью 2″? 4″ .

Основные условия, которые должны быть соблюдены в теодолите при измерении углов: вертикальная ось прибора должна быть отвесна, а визирная плоскость вертикальна. Соблюдение этих условий имеет существенное значение для точности угловых измерений. В процессе работы и транспортировки теодолита правильное расположение основных осей может быть нарушено, что вызывает необходимость производства регулярных поверок и при необходимости юстировок (регулировок) теодолита, выполняемых в определенной последовательности. Основные оси теодолита показаны на рис. 4:

Рисунок 4 — Схема основных осей теодолит: I-I₁ — вертикальная ось (ось вращения алидады горизонтального круга); H-H₁— горизонтальная ось (ось вращения зрительной трубы); u-u₁— ось цилиндрического уровня горизонтального круга (касательная к внутренней поверхности уровня в его нуль-пункте); V-V₁ — визирная ось (прямая, проходящая через оптический центр объектива и центр сетки нитей)

Задание 2. Изучение устройства цилиндрического уровня

Уровни служат для ориентирования прибора или отдельных его частей относительно горизонта (отвесной линии).

Рисунок 5 — Цилиндрический уровень Цилиндрический уровень (рис. 5, а) представляет собой стеклянную трубку (ампулу), внутренняя поверхность которой в вертикальном продольном разрезе имеет вид дуги АВ круга 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 (рис. 5, а). Средний штрих 0 шкалы принимается за нулевой и называется нуль-пунктом уровня. Касательная ии 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 µ. Следовательно, при помощи 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″ 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 0,3−0,4 длины ампулы при температуре +20°.

Для сохранения длины пузырька при изменении температуры используют компенсированные уровни (рис. 5, б) либо уровни с запасной камерой-камерные уровни (рис. 5, в).

Принцип устройства компенсированной ампулы основан на сокращении объема заполнителя путем помещения в ампулу стеклянной трубки 1 с запаянными концами.

Запасная камера 2 камерного 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 уровня на 180°.

Для повышения точности установки пузырька в нуль-пункте используют контактные уровни. В таких уровнях изображение концов пузырька с помощью призменной системы передается в поле зрения трубы (рис. 5, г). Несовмещенное положение концов пузырька уровня соответствует наклонному положению оси цилиндрического уровня. При совмещенных изображениях концов пузырька ось уровня устанавливается горизонтально.

Опыт показывает, что точность контактного уровня обычно в 3−4 раза выше точности цилиндрического уровня.

Задание 3. Принципы отсчетного устройства теодолита Т30

Отсчетные устройства (ОУ) обеспечивают надлежащую точность при считывании по лимбам, удобство пользования ими. 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.

В теодолитах Т30 для снятия отсчётов по горизонтальному и вертикальному кругам используются отсчётные устройства в виде штрихового микроскопа. Окуляр отсчётного устройства расположен рядом с окуляром зрительной трубы.

Штриховой микроскоп — это отсчетное устройство, в котором интервал между младшим штрихом и индексом оценивается на глаз до десятых долей делений лимба (рис. 6). Изображения шкал и индекс рассматривают через окуляр микроскопа, который располагается рядом с окуляром зрительной трубы.

В теодолите Т30 в поле зрения штрихового микроскопа строятся одновременно изображения шкал горизонтального и вертикального кругов с общим индексом. Отсчеты берут по одной стороне кругов с точностью до 1'.

На рисунке 6 показано поле зрение штрихового микроскопа, в верхней части которого, обозначенного буквой «B», видны штрихи вертикального круга, в нижней части, обозначенного буквой «Г», — штрихи горизонтального круга. Цена одного деления на обоих кругах составляет 10'.

теодолит ось уровень микроскоп Рисунок 6 — Поле зрения отсчетного микроскопа теодолита Т30: отсчет по вертикальному кругу — 358⁰48', по горизонтальному кругу — 70⁰04'.

Отсчитывание по лимбу с помощью штрихового микроскопа теодолита Т30:

В окуляре микроскопа (расположенном рядом с окуляром трубы) найти отсчётный индекс (штрих с горизонтальной подсечкой) и взять по шкале лимба отсчёт, соответствующий положению отсчётного индекса.

Пример отсчета в табл. 1.

Рисунок 7 — Отсчёт: по горизонтальному кругу 135^o12'; по вертикальному кругу 356^o36'

Перед снятием отсчётов необходимо, наблюдая в окуляр отсчётного устройства, вращением зеркала подсветки добиться наилучшей освещённости поля зрения микроскопа, затем, вращая диоптрийное кольцо отсчётного микроскопа, установить чёткое изображение штрихов горизонтального и вертикального кругов.

Таблица 1 — Журнал отсчетов по горизонтальному и вертикальному кругам

Список используемой литературы

1. Михелев Д. Ш. Инженерная геодезия / Д. Ш. Михелев. — М.: Академия, 2004. — 481 с.

2. Практикум по инженерной геодезии: пособие по выполнению лабораторных работ и учебной геодезической практики для студентов безотрывного о бучения / Е. К. Атрошко, М. М. Иванова, Г. М. Куновская и др. — Гомель: БелГУТ, 2004. — 107 с.

3. Теодолит 4Т30П. Технология производства наблюдений: метод.указ. / сост.: Н. М. Снятков, К. А. Андрианов. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. — 24 с.

4. Справочник геодезиста (в двух книгах) / В. Д. Большаков, Г. П. Левчук, Г. В. Багратуни и др. — М: Недра, 1975. — 1056 с.

5. Поклад Г. Г. Геодезия: Учебник для вузов / Г. Г. Поклад. — М.: Недра, 1988. — 304 с.