BUDOWA TEODOLITÓW. SYSTEMY ODCZYTOWE Teodolity to instrumenty geodezyjne wykorzystywane do pomiarów któw poziomych i pionowych. Obecnie najczciej wykorzystuje si w pomiarach teodolity (tachimetry Total Station) z elektronicznym systemem pomiarowym, rejestrujce wartoci kierunków poziomych czy pionowych w sposób cigły. Na tym jednak etapie rozdział zostanie powicony klasycznym teodolitom, jak Theo 020B czy Theo 010, które s wyposaone w analogowy jednomiejscowy i dwumiejscowy system odczytowy. Celem takiego a nie innego przedsiwzicia nie jest ucieczka od nowych rozwiza technologicznych, lecz potrzeba zrozumienia problematyki dotyczcej budowy i systemów odczytowych od podstaw. Zanim jednak przejdziemy do omawiania poszczególnych systemów odczytowych, w pierwszej kolejnoci 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 najwaniejszych elementów składowych. Poniej wymieniono a nastpnie szczegółowo opisano elementy składowe teodolitu Theo 020B wyrónione na rys. 1. 1. Spodarka 2. ruby poziomujce 3. Płytka sprynujca 4. ruba dociskowa 5. Pion optyczny 6. Okular pionu optycznego 7. Alidada. Limbus 9. Sprzg repetycyjny 10. Libela alidadowa 11. Libela okrgła 12. Leniwka alidady 13. Zacisk alidady 14. Zacisk lunety 15. Leniwka lunety
1 17 22 21 10 11 9 23 24 16 14 13 26 5 12 6 4 15 2 3 20 19 25 7, 1 Rys. 1. Widok teodolitu z jednomiejscowym systemem odczytowym Theo 020B. 16. Dwigary 17. Krg pionowy 1. Celownik kolimatorowy 19. Luneta 20. Obiektyw lunety 21. Okular lunety 22. Piercie ogniskujcy 23. Lunetka systemu odczytowego 24. Okular lunetki systemu odczytowego 25. Lusterko owietlajce system odczytowy 26. Przełcznik krgu poziomego i pionowego
Podstaw teodolitu jest spodarka (1). Moe by ona wbudowana w instrument albo te stanowi doln niezalen cz teodolitu (najczciej stosowane). Mówimy wówczas o spodarce wymiennej. Aby oddzieli górn cz teodolitu od spodarki naley odkrci rub dociskow (4) a nastpnie wyj czop osiowy instrumentu z tulei spodarki. Zakładajc, e wczeniej spodarka została spoziomowana, moemy teraz wsadzi do niej tarcz celownicz. Wykorzystuje si ten schemat przy pomiarze któw metod trzech statywów. W spodarce znajduj si 3 ruby poziomujce (2) zwane te ustawczymi. To włanie przy pomocy tych trzech rub poziomujemy instrument, czyli doprowadzamy o główn instrumentu do pionu. Na rys. 1 wida, e trzy ruby poziomujce s połczone, a cilej mówic przechodz przez trójktn płytk zwan płytk sprynujc (3). Na rodku tej płytki znajduje si otwór z gwintem, w który wkrcana jest ruba zaciskowa statywu. Do ustawienia teodolitu nad punktem (scentrowanie instrumentu) słuy pion optyczny(5). Jest to element optyczny wbudowany w spodark lub w alidad, za pomoc którego moemy ustawi znaczek centrujcy (obserwowany w polu widzenia pionu optycznego) nad punktem. Do ustawienia ostroci znaczka centrujcego słuy okular pionu optycznego(6). Przechodzc do górnej czci teodolitu naley wyróni alidad (7) jako element, na którym znajduj si pozostałe czci składowe teodolitu. Pod obudow alidady znajduje si limbus(). Jest to krg poziomy wykonany najczciej ze szkła z naniesionym podziałem ktowym. To włanie na limbus rzutowane s kierunki ramion mierzonego kta a nastpnie z rónicy tych kierunków wyliczana jest warto kta. Na alidadzie znajduj si dwie libele: libela alidadowa (10), zwana take libel rurkow oraz libela okrgł (11) zwana libel sferyczn. Libele te posiadaj ampułki wypełnione ciecz, w których to znajduje si pcherzyk 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 czynnoci odbywa si za pomoc wspomnianych ju rub poziomujcych. Jeeli pcherzyk powietrza zajmie połoenie rodkowe, tzn. znajdzie si w punkcie G libeli, mówimy wówczas o spoziomowaniu instrumentu. Rónica midzy tymi libelami polega na tym, e libela okrgła słuy w pierwszej kolejnoci do przyblionego spoziomowania teodolitu a dopiero póniej wykorzystujemy libel rurkow do dokładnego spoziomowania instrumentu. Na alidadzie znajduje si take sprzg repetycyjny (9), który sprzga limbus i alidad. Po włczeniu sprzgu warto kierunku poziomego odczytana na limbusie nie ulegnie
zmianie mimo obrotu alidady wokół osi głównej instrumentu. Sprzg repetycyjny jest wykorzystywany do pomiaru któw metod repetycyjn. Na alidadzie osadzone s dwa dwigary(16), na których z kolei osadzona jest luneta(19). Przy lewym dwigarze znajduje si krg pionowy(17). Luneta jest to element optyczny, za pomoc którego obserwujemy wyznaczany cel. Dziki wielokrotnemu powikszeniu moemy obserwowa znacznie oddalone obiekty. Jednymi z zasadniczych elementów lunety jest obiektyw(20) i okular(21). Obserwator patrzc do lunety od strony okularu widzi w polu widzenia siatk celownicz w postaci krzya kresek (zwan te siatk kresek) rys. 2. Rys.2. Siatka celownicza widziana przez okular lunety. Ostro siatki celowniczej mona ustawi za pomoc okularu lunety(21). Oprócz siatki celowniczej w polu widzenia lunety znajduje si równie obraz rzeczywisty. Do ustawienia ostroci widzianego obrazu słuy piercie ogniskujcy(22). Jak ju wczeniej wspomniano luneta słuy do obserwacji wybranych elementów, celów. Aby dokładnie skierowa lunet na wybrany cel naley w pierwszej kolejnoci za pomoc celownika kolimatorowego(1) umieszczonego na lunecie ustawi j w danym kierunku w sposób przybliony a nastpnie wykorzysta leniwki alidady(12) i lunety(15) do precyzyjnego ustawienia lunety. Leniwki te słu do bardzo powolnego przesuwania siatki celowniczej w płaszczynie poziomej (leniwka alidady) i pionowej (leniwka lunety). Aby jednak obie te leniwki spełniały swoje role, wczeniej naley uy zacisków alidady(13) i lunety(14). Zacisk alidady unieruchamia alidad wzgldem spodarki uniemoliwiajc tym samym jej obrót wokół osi głównej instrumentu, natomiast zacisk lunety uniemoliwia jej obrót wokół własnej osi. Jak ju wspomniano na pocztku, teodolit słuy do pomiaru któw poziomych i pionowych. Warto kta obliczamy z rónicy dwóch kierunków. Do odczytywania wartoci wyznaczanych kierunków słuy lunetka systemu odczytowego(23). Przed dokonaniem
odczytu naley nastawi ostro systemu odczytowego. Słuy do tego okular lunetki systemu odczytowego(24). Aby jednak mona było wykona odczyt z lunetki, cały system odczytowy musi by właciwie owietlony. Umoliwia to lusterko(25), które ustawione pod właciwym ktem zapewnia optymalne nawietlenie systemu odczytowego. Na dwigarze znajduje si take przełcznik krgu poziomego i pionowego (26). Wykorzystujemy go gdy chcemy odczytywa tylko wartoci kierunków z limbusa lub obu krgów jednoczenie. Z kolei na rys. 3 zilustrowano przekrój tego samego teodolitu (rys. 1) widzianego z dwóch stron tzn. w pierwszym i drugim połoeniu lunety. Rysunek ten jest zaczerpnity z pracy kontrolnej studenta Wydziału Geodezji Górniczej i Inynierii rodowiska AGH Przemysława Kurasa. Rys. 3. Przekrój teodolitu z jednomiejscowym systemem odczytowym Theo 020. Pewnym samosprawdzianem czytelnika moe by porównanie rysunków 1 i 3 a nastpnie okrelenie elementów składowych teodolitu na rys. 3 w oparciu o opisane i zaznaczone elementy budowy teodolitu Theo 020 z rys. 1. Naley zaznaczy, e odnoniki na rys. 1 nie pokrywaj si z odnonikami na rys. 3. Znajc ju budow teodolitów moemy przej do omówienia systemów odczytowych stosowanych w Theo 020 i Theo 010. Celowo posłuono si tu przykładem tych dwóch instrumentów geodezyjnych, gdy kady z nich jest wyposaony w zupełnie inny system odczytowy. Pierwszy z nich (Theo 020) zawiera jednomiejscowy a drugi (Theo 010)
dwumiejscowy system odczytowy. Jak ju wczeniej wspomniano cały system odczytowy widoczny jest w lunetce systemu odczytowego, w której to obserwujemy obraz limbusa. Ogólnie rzecz ujmujc mona powiedzie, e rónica midzy jedno a dwumiejscowym systemem odczytowym polega na tym, e w teodolitach Theo 020 przez krg 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 krgu poziomego Hz) widzimy, e po odbiciu od powierzchni lusterka wpada on do układu optycznego teodolitu. Załamuje si pod ktem 90 0 w pryzmacie trójktnym (2) a nastpnie po przejciu przez pryzmat dachowy (4) zmienia swój bieg o 10 0 i przebija krg poziomy (limbus) zabierajc ze sob fragment opisu z krgu Hz. Nastpnie promie wpada do obiektywu krgu poziomego przechodzc przez dwie soczewki p i r. Soczewki te s odpowiedzialne za wystpowanie błdu paralaksy. Dalej promie pada na pryzmat trójktny załamujc si o 90 0 a nastpnie 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 krgu Hz, widzimy, e promie wietlny odbijajc si od lusterka pada na pryzmat trójktny (3) załamujc si o 90 0 a nastpnie na pryzmat dachowy (9), gdzie zmienia swój bieg o 10 0. Dalej przechodzi przez limbus przebijajc go po raz pierwszy i zabierajc ze sob jego obraz w punkcie A. Nastpnie promie przechodzi przez system justujcy G Hz po czym ponownie przebija krg poziomy zabierajc tym razem fragment jego opisu w punkcie B. Ponownie przechodzi przez pryzmat dachowy zmieniajc swój bieg o 10 0 i wpadajc do obiektywu krgu poziomego, w którym to znajduj si dwie soczewki p i r. Teraz na przeszkodzie stanł pryzmat W, który jest odpowiedzialny za to, e widzimy jeden z krgów: poziomy lub pionowy. Jeeli chcielibymy aby widoczny był obraz krgu Hz naley za pomoc ruby mikrometrycznej zmieni połoenie pryzmatu W, który si odchyli i promie wietlny dla krgu Hz bdzie mógł pokonywa dalsz drog. Pada on nastpnie na par klinów nieruchomych i ruchomych, które to s powizane ze skal mikrometru. Nastpnie po przejciu przez pryzmat rozdzielczy R i pentagonalny P wpada do oka obserwatora. Mona powiedzie, e w efekcie kocowym, w jednomiejscowym systemie odczytowym widzimy tylko jeden obraz krgu poziomego w postaci skali a w
dwumiejscowym dwa obrazy krgu poziomego. Przykład odczytu z jednomiejscowego systemu odczytowego przedstawiono na rys. 6 a i dwumiejscowego na rys. 7a i 7b. 0 1 2 7 9 10 Rys.6. Na rys. 6 odczyt wynosi 166 g 94 c 20 cc. Jak dokonywa odczytu? Otó jeli 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 166 g. W przypadku wartoci centygradów ( c ) naley policzy ile najmniejszych pełnych jednostek mamy od pocztku skali (od zera) do miejsca przecicia kreski limbusa na skali, gdy to włanie najmniejsza jednostka na skali to 1 c. Dla ułatwienia co 10 c mamy opisane na skali wartoci 1 (czyli 10 c ), 2 (czyli 20 c ) itd. Natomiast wartoci decymiligradów ( cc ) naley oszacowa. Bierzemy pod uwag t jedn jednostk, przez któr przechodzi kreska limbusa i oceniamy czy przechodzi ona bliej wartoci 94 c czy 95 c. Naley pamita, e decymiligrady ( cc ) szacujemy z dokładnoci co 20 cc, czyli kocówka moe osiga wartoci 00 cc, 20 cc, 40 cc, 60 cc lub 0 cc. Dwumiejscowy system odczytowy został zaprezentowany dla teodolitu Theo 010B (rys. 7a) i Theo 010 (rys. 7b) 149 7 0 7 90 7 00 10 20 A 30 B Rys.7a.
A 7 79 7 B 279 27 7 9 0 1 2 3 Rys. 7b. Na rys. 7a odczyt wynosi 149 g 77 c 5 cc. W pierwszej kolejnoci naley doprowadzi do koincydencji obrazy krgów A i B za pomoc ruby mikrometrycznej. Dopiero teraz moemy dokona odczytu. W lewym górnym okienku odczytujemy warto gradów 149 g. Wartoci dziesitek centygradów ( c ) 70 c - odczytujemy z jednego z dwóch połczonych ze sob okienek prostoktnych. Naley zaznaczy, e w jednym okienku prostoktnym odczytujemy wartoci parzyste a w drugim odczytuje si wartoci nieparzyste. Nastpnie ze skali mikrometru odczytujemy jednostki centygradów ( c ) 7 c - oraz pełn warto decymiligradów ( cc ) 5 cc. Odczyt na skali mikrometru wyznacza poprzeczna kreska indeksowa. Po lewej stronie skali mikrometru umieszczone s wartoci jednostek centygradów ( c ) a po prawej wartoci decymiligradów ( cc ). Najmniejsza jednostka na skali mikrometru to 2 cc, wic moemy, tak jak w przykładzie, oszacowa t warto z dokładnoci dwukrotnie wiksz, czyli do 1 cc. Na rys. 7b odczyt wynosi 7 g 7 c 5 cc. W pierwszej kolejnoci naley doprowadzi do koincydencji obrazy krgów A i B za pomoc ruby mikrometrycznej. W tym przypadku wartoci gradów - 7 g odczytujemy z obrazu krgu A. Bierzemy pod uwag t warto gradów, która róni si o 200 g wzgldem wartoci gradów widocznej na obrazie krgu B, zlokalizowanej na prawo wzgldem wartoci z krgu A - 27 g. Nastpnie odczytujemy wartoci dziesitek centygradów ( c ) 0 c. W tym celu liczymy ile jednostek znajduje si midzy odczytem 7 g a 27 g. Kad tak jednostk traktujemy jako warto 10 c. W naszym przypadku liczba jednostek midzy 7 g a 27 g wynosi, std 0 c. Naley jednak podkreli, e w rzeczywistoci najmniejsza jednostka to 20 c. Odczytujemy jednak t jednostk jako 10 c, gdy przy doprowadzaniu do koincydencji obrazy krgów A i B rub mikrometryczn, obrazy te przemieszczaj si w przeciwnych kierunkach. Pokonuj wic połow drogi aby
doprowadzi je do koincydencji. Dlatego te wartoci tych jednostek dzielimy przez połow, czyli otrzymujemy 10 c. Na kocu odczytujemy jednostki centygradów 7 c i pełn warto decymiligradów 5 cc. Wykonujemy to na skali mikrometru w taki sam sposób jak przy omawianiu rys. 7a.