ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ

Угловые измерения являются одним из основных элементов при выполнении геодезических работ. При создании плановых геодезических сетей и производстве топографических съемок выполняются измерения горизонтальных и вертикальных углов.

Рассмотрим рис. 5.1. Пусть АВС угол на местности, стороны которого не лежат в горизонтальной плоскости. Горизонтальной проекцией этого угла будет угол аВс, полученный проецированием сторон ВА и ВС на горизонтальную плоскость Р. Следовательно, горизонтальный угол аВс – линейный угол, являющийся мерой двугранного угла, образованного вертикальными плоскостями аВВ^´А´ и сВВ´С´, проходящими соответственно через стороны ВА и ВС данного угла. Мерой того же двугранного угла будет являться любой другой линейный угол а´в´с´, вершина которого находится на ребре ВВ´ двугранного угла, а стороны в горизонтальной плоскости. Поэтому горизонтальный угол АВС можно измерить с помощью круга, разделенного на градусы и доли градуса, плоскость которого горизонтальна, а центр совмещен с ребром ВВ´ двугранного угла и находится на некоторой удобной для наблюдения высоте в´ относительно точки В. Если деления на круге оцифрованы по ходу часовой стрелки, то угол АВС можно определить как разность отсчетов по кругу, т.е. а´ - с´. Такой круг в геодезии называется лимбом.

Рис. 5.1.

Для того, чтобы отметить на лимбе отсчеты а´ и с´, необходимо иметь вертикальную плоскость, вращающуюся в центре лимба вокруг вертикальной оси ВВ´. Такая плоскость называется визирной плоскостью.

Изложенный принцип измерения горизонтального угла положен в основу устройства угломерного прибора, называемого теодолитом.

В топографии измеряют углы наклона ν, которые представляют собой вертикальный уголмежду горизонтальной плоскостью и направлением на наблюдаемую точку.

5.1. Теодолиты и их виды. Устройство оптических
теодолитов

Теодолит – это геодезический прибор, предназначенный для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов, а также магнитных азимутов направлений и расстояний по нитяному дальномеру.

Название теодолита (или шифр) состоит из заглавной буквы названия прибора «Т» и цифры после буквы, обозначающей среднюю квадратическую ошибку измерения горизонтального угла в секундах одним приемом, характеризующую сравнительную точность прибора. Последующие модификации теодолитов данной точности получают обозначения, с добавлением новой цифры впереди буквы: 2Т, 3Т. Наличие в названии теодолита буквы «П» говорит о зрительной трубе прямого изображения, а буквы «К» – компенсатора.

Теодолиты классифицируют по конструкции: верньерные и оптические, которые в свою очередь подразделяются на повторительные и неповторительные; и по точности: высокоточные (Т1), точные (Т2, т5) и технические (Т15, Т30, Т–60). Такая классификация принята в России и выпускаемые там теодолиты широко используются в Беларуси.

В настоящее время выпускаются только оптические теодолиты. Рассмотрим устройство теодолита на примере оптического теодолита Т30 и его модификаций (рис. 5.2).

Данный теодолит относится к угломерным прибором технического класса точности. Он состоит из подставки, горизонтального круга, алидады, колонки, вертикального круга, зрительной трубы, отсчетного устройства и уровней.

Для выполнения угломерных работ теодолит устанавливается на штатив. Крепление теодолита к штативу осуществляется при помощи станового винта 10.

Рис. 5.2

1 – исправительный винт уровня; 2 – закрепительный винт алидады горизонтального круга; 3 – цилиндрический уровень; 4 – кремальерный винт; 5 – окулярное кольцо зрительной трубы; 6 – колпачок, под которым расположены исправительные винты сетки нитей; 7 – зрительная труба; 8 – вертикальный круг; 9 – закрепительный винт горизонтального круга; 10 – становой винт; 11 – наводящий винт горизонтального круга; 12 – отсчетное устройство (микроскоп); 13 – колонка; 14 – паз для установки ориентир-буссоли; 15, 16 – закрепительный и наводящий винты зрительной трубы; 17 – наводящий винт алидады горизонтального круга; 18 – подставка; 19 – подъемный винт.

Подставка (трегер) – нижняя часть теодолита снабжена тремя подъемными винтами и предназначается для горизонтирования прибора. В подставке находится ось горизонтального круга теодолита.

Горизонтальный круг с круговой угломерной шкалой называют лимбом. На шкале через 1˚ нанесены штрихи, которые подписаны по часовой стрелке от 0˚ до 360˚. Лимб наглухо скреплен с его вертикальной трубчатой осью, которая входит во втулку подставки 18. Для вращения в горизонтальной плоскости лимб имеет закрепительный 9 и наводящий 11 винты.

Алидада представляет собой круг, вертикальная ось которой входит в полую ось лимба и таким образом она соединена с ним соосно. Алидада имеет закрепительный 2 и наводящий 17 винты, что позволяет вращать ее в горизонтальной плоскости относительно неподвижного лимба. С алидадой наглухо скреплены колонки 13 и цилиндрический уровень 3. Колонку вместе с алидадой часто называют алидадной частью теодолита.

В колонках теодолита находится его горизонтальная ось, которая наглухо скреплена с вертикальным кругом. Вертикальный круг предназначен для измерения углов наклона и поэтому в отличие от горизонтального имеет секторную оцифровку, т. е. для положения «круг лево» (КЛ) будет иметь знак «+» для положительных углов наклона и знак «-» – для отрицательных. При положении «круг право» (КП) знаки при цифрах будут обратными: оцифровка положительных углов наклона имеет знак «-», а отрицательных – знак «+». Правильный знак угла наклона соответствует положению КЛ. Положение КЛ означает, что вертикальный круг относительно наблюдателя находится слева от зрительной трубы, а при положении КП – справа. Положение вертикального круга меняют переводом зрительной трубы через зенит.

Зрительная труба 7 также наглухо закреплена на горизонтальной оси прибора и предназначена для визирования на объекты. Она состоит из смотрированных в общем корпусе объектива, фокусирующей линзы, окуляра и расположенной перед ним визирной сетки, которая выгравирована на стеклянной пластинке.

Основные штрихи сетки взаимно перпендикулярны, они пред­назначены для наведения зрительной трубы на объект в гори­зонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 5.3.). Кроме основ­ных штрихов, имеются крайние горизонтальные дальномерные штрихи, предназначенные для определения расстояний по рейке. Для повышения точности визирования половину верти­кальной линии сетки нитей наносят в виде близко распо­ложенных параллельных штрихов, называемых биссектором.

Воображаемая линия, проходящая через центр сетки нитей и оптический центр объектива, называется визирной осью зрительной трубы, а ее продолжение до наблюдаемой точки, образует линию визирования.

При наведении зрительной трубы на предмет, наблюдателю необходимо одновременно отчетливо видеть штрихи сетки нитей и наблюдаемый предмет. Отчетливой и резкой видимости сетки нитей по глазу наблюдателя добиваются вращением окулярного кольца 5, а отчетливая видимость предмета достигается путем перемещения фокусирующей линзы кремальерным винтом 4. Для вращения вертикальной плоскости зрительная труба имеет закрепительный 15 и наводящий 16 винты. Таким образом, этими винтами и винтами алидады или лимба зрительную трубу можно наводить на любую точку в пространстве.

Оптические качества зрительной трубы характеризуются увеличением и полем зрения. Увеличение зрительной трубы υ равно отношению угла α, под которым виден предмет в трубу, к углу β, под которым он виден невооруженным глазом . Зрительная труба теодолита Т 30 имеет увеличение 20^х. Поле зрения – угол ограниченный конической поверхностью и видимый через неподвижно установленную трубу (поле зрения Т 30 равно 2˚).

Уровни предназначены для приведения осей или плоскостей геодезических приборов в отвесное или горизонтальное положение. Они бывают цилиндрическими или круглыми. Теодолит Т 30 и его модификации имеют один цилиндрический уровень (рис. 5.4), представляющий собой стеклянную ампулу в оправе заполненную легко подвижной жидкостью (сернистый эфир или этиловый спирт). Внутренняя поверхность ампулы отшлифована и представляет собой дугу постоянного радиуса, а на внешней поверхности нанесены штрихи через 2 мм. «Нуль – пункт» уровня – это средний пункт шкалы. Касательная к пузырьку уровня, когда он находится в нуль-пункте, называется осью цилиндрического уровня. Центральный угол τ, стягивающий одно деление дуги ампулы, называется ценой деления. Цена деления равна . Таким образом, чем больше радиус кривизны ампулы, тем точнее уровень.

Оптические теодолиты имеют отсчетные устройства (рис. 5.5) в виде штрихового а (Т 30) или шкалового б микроскопов (Т 15; 2 Т 30; 2 Т 30 П).

Рис. 5.4	Рис. 5.5

В поле зрения отсчетных приспособлений одновременно с помощью оптической системы передаются изображения штрихов лимба горизонтального круга, отмеченные внизу буквой «Г» ( ) и изображения штрихов вертикального круга, отмеченные буквой «В» ( ). В штриховых микроскопах отсчет берется по неподвижному штриху. Цена одного деления угломерных кругов теодолита Т 30 равна 10΄, десятые доли оцениваются на глаз. Согласно рис. 5.5 а отсчет по горизонтальному кругу (ГК) равен 12˚52΄, а по вертикальному кругу (ВК) – 357˚17΄.

У теодолита 2 Т 30 П вместо неподвижного штриха в микроскоп вмонтированы неподвижные шкалы для горизонтального и вертикального кругов, длина которых соответствует дуге цены деления лимбов – 1˚. Шкалы разделены штрихами через 5΄ на двенадцать отрезков. Отсчет градусов берется по тому штриху лимба, который находится в пределах шкалы, а минуты определяются по штрихам шкалы слева направо до этого штриха на глаз с точностью до 1΄. Согласно рис. 5.5 б отсчет по ГК равен 125˚06΄.

Шкала для вертикального круга имеет два ряда цифр, в зависимости от угла наклона визирной оси по отношению к плоскости горизонта. При положительных углах наклона отсчет определяется аналогично, как и по ГК. При отрицательных углах наклона (см. рис. 5.5б), когда в пределах шкалы находится штрих вертикального круга со знаком « - » значение минут отсчитывают до этого штриха по шкале справа налево. Согласно рис. 5.5б отсчет по ВК равен минус 0˚27΄.