Общие сведения о высокоточных теодолитах
В начале 30-х годов в связи с невиданным в то время размахом работ по созданию астрономо-геодезическои сети на обширной территории СССР перед геодезическим приборостроением была поставлена ответственная задача по разработке и выпуску в короткие сроки высокоточных теодолитов.
В 1934 г. завод «Аэрогеоприбор» начал выпускать универсальный теодолит У-5. Горизонтальный и вертикальный круги имели диаметры по 176 мм. Цена наименьшего деления шкалы отсчетного микроскопа-микрометра была равна 5". Предназначался теодолит для угловых измерений и астрономических определений в триангуляции 2 класса.
В 1935 г. в ЦНИИГАиК по техническому заданию Ф. Н. Красовского был разработан высокоточный триангуляционный теодолит ТТ-2/6, предназначенный для измерения горизонтальных углов в триангуляции 1 класса. Выпуск этих теодолитов был начат в 1936 г. и продолжался до 1965 г., когда ТТ-2/6 был снят с производства.
Теодолит ТТ-2/6 имеет горизонтальный металлический лимб диаметром 220 мм, вертикальная ось теодолита коническая, регулируемая; главная зрительная труба имеет фокусное расстояние 520 мм, увеличение трубы 30; 52 и 65х; она снабжена окулярным микрометром с ценой деления 1"; поверительная труба с увеличением 30х и ценой деления окулярного микрометра 1,4" крепится к подставке теодолита и предназначается для определения и учета кручения столика сигнала при угловых измерениях; теодолит имеет накладной уровень с ценой деления 2,5" на 2 мм, устанавливаемый на горизонтальную ось вращения трубы; вертикальный круг изготовлен в виде сектора; цена наименьшего деления барабана микроскоп-микрометра при горизонтальном круге 2", масса теодолита составляет 27,5 кг.
Рис. 42. Теодолит ОТ-02М. (а):
/ — подставка с подъемными винтами; 2 — алидадная часть теодолита; 3 — уровень при алидаде вертикального круга; 4 — вертикальный круг; 5—зрительная труба; в — головка оптического микрометра; 7 — микроскоп отсчетного устройства; 8 — призма-переключа-тсль изображении вертикального и горизонтального кругов; поле зрения микроскопа отсчетного устройства (б)
С помощью теодолитов ТТ-2/6 выполнен основной объем угловых измерений в огромной по размеру астрономо-геодезической сети . Этот теодолит по праву заслужил всеобщее признание геодезистов как надежный высокоточный теодолит, обеспечивающий измерение горизонтальных углов при расстояниях 20—30 км и более со средней квадратической ошибкой 0,5—0,7" (по невязкам треугольников).
Примерно в то же время, когда был начат выпуск теодолитов ТТ-2/6, был разработан высокоточный астрономический универсал АУ-2/10 с лимбами диаметром 220 и 135 мм. Эти приборы в течение многих десятилетий успешно применялись для астрономических определений широт, долгот и азимутов на пунктах Лапласа.
В 1940 г. завод «Аэрогеоприбор» выпустил первую партию высокоточных оптических теодолитов ОТ-02, предназначенных для угловых измерений в геодезических сетях 2—4 классов. В послевоенные годы теодолит получил широкое распространение и высокую оценку специалистов. В 1965 г. он был несколько модернизирован и ему был присвоен новый шифр ОТ-02М (рис. 42, а).
Рис. 43. Теодолит Т05 (a)
2— зрительная труба; 2 — окулярный микрометр; .3 — накладной уровень- 4- головка оптического микрометра- '5 —переключатель изображений горизонтального и вертикального кругов; 6 — поверительная труба с окулярным микрометром-поле зрения отсчетного микроскопа (б)
Отсчет по горизонтальному кругу (рис. 42,6) берут следующим образом:
23°20'
1¢29,0" (1-е совмещение)
29,6" (2-е совмещение)
_____________________
23°21'29,3"
В 1968 г вместо теодолита ТТ-2/6 начался выпуск разработанного в ЦНИИГАиК нового высокоточного оптического теодолита Т05 полусекундной точности.
В 1975 году создан угломерный высокоточный комплект (УВК), основой которого является теодолит ОТ-02М, снабженный автоколлимационным окуляром, устройством для принудительного центрирования с ошибкой не более 0,5 мм, подставкой с оптическим центриром. В комплект входят также другие приспособления, используемые при решении задач прикладной геодезии.
В конце 70-х годов был начат выпуск новых высокоточных оптических теодолитов Т1 секундной точности.
Теодолит Т05 (рис. 43, а), как и любой другой оптический теодолит, удобен в работе, имеет меньшие габариты и массу, чем ТТ-2/6, а по точности измерения углов несколько превосходит его.
Теодолит Т05 состоит из двух основных частей: нижней и верхней, которые при необходимости (при перевозке или длительном хранении) могут быть разъединены и помещены в разные упаковочные ящики.
В нижнюю часть теодолита входят: подставка с подъемными винтами и центрирующим устройством, горизонтальный круг с установленным на нем лимбом, колонки с лагерами для установки горизонтальной оси вращения трубы; узлы отсчетной системы, размещенные внутри колонок.
К верхней съемной части теодолита относятся: зрительная труба с горизонтальной осью, вертикальный круг и уровень при нем, отсчетный микроскоп, узлы отсчетной системы вертикального круга.
При алидаде горизонтального круга имеется цилиндрический уровень с ценой деления 6—1" на 2 мм; на цапфы горизонтальной осп вращения трубы устанавливается накладной уровень с ценой деления 4—5" на 2 мм.
Вертикальная ось теодолита цилиндрическая, полукинематического типа, саморегулирующаяся (на шариковой основе); длина ее рабочей части около 100 мм. Во избежание возможных повреждений оси при транспортировке осевая система снабжена разгрузочным устройством. С вертикальной осью жестко скреплена алидада теодолита, несущая колонки и служащая корпусом для многих узлов прибора.
Горизонтальная ось трубы цилиндрическая, полая, цапфы оси опираются па бронзовые лагеры; в качестве разгрузочного устройства используются ложные лагеры с роликами из шарикоподшипников.
Зрительная труба — центральная прямая астрономическая, переводится через зенит окулярным концом. Труба имеет окулярный микрометр с плоскопараллельной пластинкой; цена деления окулярного микрометра 1".
Отсчетная система построена в соответствии с классическим вариантом совмещения изображений диаметрально противоположных штрихов лимба. Отсчитывание по горизонтальному и вертикальному кругам осуществляется с помощью микрометра с оптическими клиньями. Так, отсчет по горизонтальному кругу (рис. 43,6) составит:
30° 15'
3/24,7" (1-е совмещение)
25,2" (2- совмещение)
30о18'25,0"
Центрирование теодолита над точкой столика геодезического знака производится с помощью механического центрира-наколки.
В комплект прибора (по заказу потребителя) входит также поверительная труба для учета кручения сигнала.
Теодолит Т1 (рис. 44, а) в отличие от теодолитов ОТ-02 и ОТ-02М имеет: окулярный микрометр для точного визирования па цель; накладной уровень, устанавливаемый на горизонтальную ось вращения трубы; оптический центрир для установки прибора над точкой. Вертикальная ось цилиндрическая,
Рис. 44. Теодолит Т1 (а):
1 — зрительная труба с окулярным микрометром; - — головка оптического микрометра; 3 — подставка с подъемными винтами; 4 ~ головка устройства для перестановок горизонтального круга; 5— накладной уровень; поле зрения отсчетного микроскопа (б)
полукинематическая, саморегулируемая (на шариковой опоре). Зрительная труба прямая центральная астрономическая, переводится через зенит окулярной частью. Окулярный микрометр имеет цену наименьшего деления 1", изготовлен он в виде телескопической линзы. Отсчитывание по горизонтальному и вертикальному кругам выполняется с помощью микрометра с оптическими клиньями, как у теодолита Т05. Например отсчет по горизонтальному кругу теодолита Т1 (рис. 44,6) берут следующим образом:
146°20'
3'07,7" (1-е совмещение)
08,1" (2-е совмещение)
146с23'07,9"
Для сравнения отметим, что в теодолитах ОТ-02 и ОТ-02М применяется более сложный микрометр с плоскопараллельными пластинками. Теодолит Т1 имеет три цилиндрических уровня такого же типа и назначения, как и теодолит Т05.
Приведем основные технические характеристики высокоточ ных теодолитов (табл. 11).
Среди зарубежных теодолитов высокой точности выделим теодолиты оригинальной конструкции: DKM-3 Theo 002 и T2000S.
Теодолит DKM-3 (рис. 45) выпускается в геодезическом и астрономическом вариантах фирмой «Керн» (Швейцария). Зри-
Таблица 11
Техническая характеристика |
Теодолит |
||
T0S |
Т1 |
ОТ-02М |
|
Допустимое значение средней квадратической ошибки измерения угла одним приемом в лабораторных условиях:- |
|
|
|
горизонтального |
0,5" |
1" |
|
вертикального |
— |
1,5 |
|
Зрительная труба (главная): |
|
|
|
диаметр свободного отверстия объектива, мм |
64 |
60 |
60 |
фокусное расстояние, мм |
500 |
350 |
348 |
угол поля зрения |
40' |
1° |
1,3° |
увеличение, крат |
36; 50; |
30; 40 |
24; 30 |
|
62 |
|
|
цена деления барабана окулярного микрометра |
Г |
1" |
— |
наименьшее расстояние визирования, м |
5 |
5 |
5 |
Горизонтальный круг: |
|
|
|
диаметр кольца делений лимба, мм |
180 |
135 |
135 |
цена наименьшего деления лимба |
10' |
10' |
10' |
полные ошибки диаметров лимба, не более |
1,0" |
1,2" |
1,5" |
Вертикальный круг: |
|
|
|
диаметр кольца делений лимба, мм |
130 |
90 |
90 |
цена наименьшего деления лимба |
10' |
10' |
20' |
полные ошибки диаметров лимба, не более |
2,0" |
2,5" |
2,5" |
Отсчетное устройство: |
|
|
|
вид |
Оптический микрометр |
||
цена деления |
1" |
1" |
1" |
Номинальная цена деления ампулы уровня на 2 мм, угл. с: |
|
|
|
накладного |
4 |
5 |
— |
при алидаде горизонтального круга |
7 |
7 |
6—7 |
при алидаде вертикального круга |
12 |
12 |
10—12 |
Масса теодолита, кг: |
|
|
|
без упаковки |
19 |
11 |
10,8 |
в упаковке |
34 |
17* |
18,5* |
Масса штатива, кг |
|
8 |
8 |
*С учетом массы центрировочной плиты.
тельная труба теодолита ломаная центральная, переводится через зенит обоими концами, дает прямое изображение наблюдаемых целей. По своей конструкции относится к зеркально-линзовым системам телескопического типа.
Вертикальная осевая система выполнена на разнесенной шариковой опоре; центрирование алидадной части теодолита осуществляется при помощи короткой направляющей, вращающейся в невысокой втулке. Шарики подшипника в количестве 60 диаметром 4 мм изготовлены с точностью 0,2 мкм. Располагаются они вблизи краев алидады между тщательно отшлифованными плоскокольцевыми поверхностями, образуя опорный шарикоподшипник.
Рис. 45. Теодолит DKM-3:
1 — подставка теодолита с осевой системой; 2 — горизонтирующее устройство; 3 — отсчетный микроскоп; 4 -— зрительная труба
Рис. 46. Теодолит Theo 002:
1 — зрительная труба (зеркально-линзовая); 2 — окуляр зрительной трубы; 3 — окуляр отсчетного устройства; 4 — подставка с подъемными винтами '
Благодаря короткой длине трубы и широко разнесенной шариковой опоре удалось существенно уменьшить габариты теодолита.
Отсчетная система построена по принципу «двойных кругов Керна». Она позволяет исключить влияние эксцентриситета лимба и алидады, а также свести к минимуму влияние ошибок диаметров лимба. Цена деления отсчетного устройства 0,5".
Теодолит Theo 002 (рис. 46) выпускается Народным предприятием Карл Цейс Йена (Германия), предназначен для высокоточных астрономо-геодезических измерений. Имеет компенсатор наклона для стабилизации места нуля вертикального круга с точностью до 0,1". Снабжен компенсатором наклона горизонтальной оси вращения трубы с точностью до 0,05". Зрительная труба теодолита зеркально-линзовая, скомбинирована с трубой-искателем, имеет окулярный микрометр с ценой деления 0,5" и сетку нитей для астрономических определений широт, долгот и азимутов. Теодолит снабжен рядом дополнительных устройств и приспособлений, в том числе для фоторегистрации отсчетов по лимбу. Обеспечивает точность измерения горизонтальных направлений с ошибкой порядка 0,3" (без учета влияний внешней среды).
Рис. 47. Электронный теодолит Т2000 S:
1 — дисплейная панель управления; 2 — световое табло результатов измерений горизонтальных углов и зенитных расстояний;
3 — зрительная труба; 4 — наводящий и закрепительный винты алидады горизонтального круга; 5 — подставка
Электронные теодолиты. Новейшие достижения в области электроники, микропроцессорной техники и оптического приборостроения позволяют автоматизировать высокоточную измерительную технику, применяемую в геодезии. В новейших высокоточных теодолитах, выпуск которых начат всего лишь несколько лет назад, вместо традиционной отсчетной системы со стеклянным лимбом и оптическим микрометром используется динамическая система отсчета по кругам с оптико-электронным сканированием, позволяющая автоматизировать процесс измерения углов и одновременно повысить их приборную точность.
К таким высокоточным электронным теодолитам относится, в частности, теодолит Т2000 S (рис. 47) фирмы «Вильд Херб-ругг» (Швейцария). Зрительная труба дает прямое изображение высокого качества; диаметр объектива 52 мм, увеличение трубы 43х (стандартное), но может быть установлено равным 26, 35 и 59х. Имеется два режима измерения углов- простой для измерения углов с наивысшей точностью и следящий для наблюдений за движущейся целью. Теодолит нормально работает в диапазоне температур от —20 до +50°С. Масса теодолита без батарей для электропитания 9,7 кг, масса батарей 0,8 кг. Без перезарядки может быть выполнено 1500 угловых измерений. Теодолит имеет компенсатор, устанавливающий нуль-пункт вертикального круга в исходное положение. Точность отсчета по кругам может быть задана по усмотрению наблюдателя либо 1", либо 0,1". Отсчеты по горизонтальному кругу автоматически исправляются поправками за эксцентриситет, коллимационную ошибку и наклон горизонтальной оси трубы. Отсчеты могут быть выражены как в градусах, так и в гонах (1/400 часть окружности).
Теодолит имеет дисплейную панель управления и подключаемый к нему регистратор. С помощью клавишей задается режим работы теодолита и регистрации данных. На экран дисплея выводятся значения измеренных горизонтальных углов и зенитных расстояний. Используя панель управления, можно ввести в память регистратора не только результаты измерений, но и, например, время наблюдений, номер пункта, его координаты и высоту, расстояния до наблюдаемых пунктов. Регистратор не только хранит записанную информацию, но и ведет математическую обработку результатов измерений в соответствии с заданной программой. К регистратору может быть подключен компьютер и другие электронные устройства, обрабатывающие измерительную информацию в геодезической сети.
Теодолит Т2000 S в значительной мере автоматизирует процесс высокоточных измерений и обработки их результатов, повышает производительность труда при наблюдениях; он прост в обращении, надежен в работе и обеспечивает высокую точность измерений, в частности, горизонтальных углов со средней квадратической ошибкой порядка 0,5" (без учета влияний внешней среды).
В ближайшие годы электронные теодолиты, а также электронные тахеометры получат видимо широкое распространение повсеместно как наиболее перспективные, позволяющие автоматизировать процесс измерений и обработки их результатов.