Уровни и компенсаторы наклона

Уровни предназначены для ориентирования основных осей приборов относительно отвесной линии (параллельно или перпендикулярно к ней).

В зависимости от формы ампулы уровни подразделяются на круглые и цилиндрические (рис. 5.4).

Круглые уровни служат для грубой, предварительной установки прибора в рабочее положение. Их точность часто значительно ниже точности рабочих цилиндрических уровней, используемых в том же приборе для точной установки осей.

Внутренняя часть стеклянной ампулы уровня имеет сферическую поверхность. Осью круглого уровня является вертикальная линия, проходящая через нуль-пункт О перпендикулярно к плоскости, касательной к сферической поверхности в нуль-пункте. Осью цилиндрического уровня является линия, касательная к сферической поверхности в точке нуль-пункта.

Ампула цилиндрического уровня имеет деления через каждые 2 мм. Угол, на который необходимо наклонить ось уровня, чтобы его пузырёк переместился на одно деление, называется ценой деления τ уровня, определяющей его точность. Из геометрических соображений

, (5.4)

где l = 2 мм; ρ" = 206265"; R – радиус сферической поверхности ампулы.

Для того, чтобы изготовить уровень с ценой деления, например, 10", необходимо сферическую поверхность ампулы выполнить с радиусом

R = l ρ" / τ" = (2мм · 206265"): 10" = 42 м.

В геодезических приборах используют цилиндрические уровни с ценой деления от 2" до 20", в зависимости от точности самого прибора.

При измерениях на местности в различных температурных условиях длина пузырька уровня изменяется. В связи с этим в конструкциях точных уровней предусмотрено регулирование длины пузырька. В одних случаях это обеспечивается с помощью дополнительной камеры в ампуле уровня, в которую можно удалить часть пузырька либо дополнить его длину. В других случаях внутрь ампулы помещают инородное тело, которое при изменении температуры изменяет свой объём, компенсируя, тем самым изменение длины пузырька (компенсированные уровни).

а	б
	в

Рис. 5.4. Уровни:

а) цилиндрический; б) круглый; в) контактный.

В большинстве геодезических приборов (в основном – нивелиров) используют т.н. контактные уровни (рис. 5.4 в). Сверху ампулы 4 над концами пузырька размещают блок призм 2 и 3, который создает совмещенное изображение концов пузырька, направляемое на призму-лупу. Это изображение и наблюдается в зрительную трубу. Горизонтальное положение оси цилиндрического уровня соответствует совмещению концов пузырька в изображении.

В современных геодезических приборах (теодолитах и нивелирах) большое применение находят компенсаторы наклонов, заменяющие цилиндрические уровни. В этом случае прибор снабжается только круглым уровнем либо цилиндрическим уровнем сравнительно невысокой точности. При использовании таких уровней производят установку прибора в рабочее положение, при котором в рабочее положение выводится компенсатор наклона. В теодолитах компенсатор приводит в отвесное положение отсчётный индекс вертикального круга, по положению которого определяют значение места нуля (МО). В нивелирах компенсатор удерживает визирную ось зрительной трубы в положении, параллельном горизонтальной плоскости. В приборах вертикального проектирования компенсатор отрабатывает вертикальное направление визирной оси.

Рис. 5.5. Принцип работы компенсатора. Схема компенсатора.

Принцип компенсации визирного луча геодезического прибора заключается в следующем (рис. 5.5). Если визирный луч занимает горизонтальное положение, то отсчёт А не будет содержать погрешности. При наклоне прибора на некоторый угол горизонтальный луч смещается вверх или вниз относительно первоначального положения. Для того, чтобы отсчёт по средней нити сетки не изменился, необходимо переместить сетку нитей из положения С_о в положение С₁. Либо, с другой стороны, изменить направление горизонтального луча так, чтобы он снова попал на среднюю нить сетки. В первом случае компенсация осуществляется в механических компенсаторах, во втором – в оптико-механических компенсаторах.

Одна из схем компенсации поясняется на рис. 5.5 (правый рисунок). Эта схема реализована в нивелире Н3К-1. При наклоне прибора, например, против часовой стрелки на угол α центр сетки нитей сместится из положения С в положение С'. Зеркало 2 компенсатора подвешено на нитях 1 к корпусу прибора. При наклоне прибора это зеркало также наклонится относительно корпуса на угол 0,5α, в связи с чем луч АВ при отражении от зеркала 2 изменит своё направление на угол (90^о±α), т.е. его направление компенсируется – при отражении от зеркала 4 он попадёт в то же место сетки нитей.

Существуют различные конструкции компенсаторов, в которых чувствительным элементом являются объективы (либо их часть), призмы, включенные в ход оптических лучей, сетки нитей и др. Чаще всего используют компенсаторы маятникового типа, в которых оптический элемент под действием силы тяжести занимает всегда одно и то же положение при возможных отклонениях осей прибора из-за внешних воздействий либо из-за погрешностей установочного уровня. Чувствительный оптический элемент компенсатора в маятниковых системах подвешивается на специальных нитях либо в осевых системах качения.

Устройство теодолита

Основные принципы построения любых теодолитов вот уже на протяжении почти 300 лет остаются неизменными. В любых конструкциях обеспечивается сохранение схемы, приведенной на рис. 5.2. Все теодолиты имеют подставки с тремя подъёмными винтами, колонки, на которых размещены все остальные узлы: горизонтальный и вертикальный круги с их отсчётными устройствами, зрительные трубы, зажимные и наводящие устройства, уровни, системы подсветки шкал и др. Конструктивно перечисленные части могут отличаться в теодолитах различных типов, но их назначение – сохраняется. В связи с этим в качестве основного примера рассмотрим технический теодолит 2Т30П (рис. 5.6), представленный в разрезе в правой части рисунка. В левой части рисунка приведены виды некоторых оптических теодолитов отечественного производства (сверху вниз): 2Т30, Т30М, 2Т5К.

Теодолит 2Т30 – технический. На колонке теодолита размещены: зрительная труба 1 обратного изображения с визирами 9 и накладным уровнем 10; цилиндрический уровень 11, служащий для горизонтирования прибора; наводящий 3 и зажимной 2 винты зрительной трубы; наводящий 5 и зажимной 4 винты алидады горизонтального круга; наводящий 6 и зажимной 7 винты горизонтального круга (расположены конструктивно в подставке); кремальера 12 (маховичок, при помощи которого в зрительной трубе перемещается фокусирующая линза). Подставка теодолита снабжена подъёмными винтами 8, с помощью которых теодолит центрируют и приводят в рабочее положение.

Рис. 5.6. Устройство теодолита 2Т30П.

Теодолит Т30М – технический. Выпускается в рудничном исполнении. Конструкция вертикальной оси вращения теодолита, наличие реверсивного уровня 11 и съёмной подставки 1 позволяют выполнять работу с теодолитом, подвешенным в перевернутом положении в шахте. Теодолит имеет зрительную трубу 5 с визирами 8 и кремальерой 7, зажимной 9 и наводящий 10 винты зрительной трубы, зажимной 2 и наводящий 3 винты горизонтального круга, отсчётный микроскоп 6, 12 и 13 – курковый зажим, предназначенный для скрепления горизонтального круга и его алидады. При значительных углах наклона визирной оси используется зенитная (призменная) насадка 14, а также коленчатый окуляр 15. Для подсветки шкал сбоку колонки имеется специальное осветительное устройство 4.

Рис. 5.7. Оптическая схема теодолита 2Т30П.

Рис. 5.8. Поле зрения отсчетной системы теодолитов 2Т30П, Т30М, Т5К.

Теодолит 2Т5К относится к точным приборам. Вертикальный круг теодолита снабжён компенсатором, который позволяет удерживать в отвесном положении отсчётный индекс алидады вертикального круга. Зрительная труба 1 теодолита снабжена визирами 2. Узлы 4-5 и 6-7 представляют собой зажимное и наводящее устройства соответственно зрительной трубы и горизонтального круга. Установка теодолита в рабочее положение выполняется с помощью подъёмных винтов 9 подставки и цилиндрического уровня 3. В подставке имеется зажимной винт 8, с помощью которого фиксируется в ней колонка теодолита. В корпусе колонки имеется окно искателя отсчётов горизонтального круга. Теодолит снабжён оптическим центриром (на рисунке не показан).

Конструкции теодолитов Т30 и 2Т30П (правая часть рисунка) практически идентичны. Зрительная труба теодолита 2Т30П прямого изображения, для чего в неё введён блок 7 оборачивающих призм, расположенный перед сеткой нитей. Изображение штрихов горизонтального и вертикального кругов соответственно объективами 2-3 и 5-6, конструктивно закреплёнными на кронштейне 4, передаются через призму 1 в окулярную часть отсчётного микроскопа.

Ход лучей в теодолите 2Т30П поясняется на рис. 5.7.

Теодолит 2Т30П имеет одноканальную оптическую систему, отсчёты в которой производятся по одной стороне горизонтального и вертикального кругов. Световой поток от системы подсветки 8 (зеркала) попадает на шкалу вертикального круга 3, затем призмой 9 направляется в окуляр 4 и далее на шкалу горизонтального круга 2. Совмещённое изображение шкал призмой 7 через объектив 5 и систему прямоугольных призм 10 и 11 передаётся в окулярную часть системы отсчётного микроскопа через внутреннюю механическую полую часть осевой системы зрительной трубы 1. Поле зрения отсчётной системы теодолитов сконструировано одинаково (рис. 5.8): в верхней части – шкала вертикального круга (индекс В), в нижней – горизонтального (индекс Г).

Принцип получения отсчёта простой. Шкалы горизонтального и вертикального кругов оцифрованы через 1^о. Этот интервал разбит на 12 частей (одно деление соответствует 5') либо разбивка выполнена через 1'.

Шкала вертикального круга для большинства теодолитов двойная – для отрицательных и положительных отсчётов. Если отсчётный индекс в шкале имеет знак «плюс» (он не проставляется), то минуты определяют от нулевого индекса по положительной шкале минут до оцифрованного градусного штриха. Если отсчётный индекс отрицательный, то число минут определяется до него от нулевого индекса минусовой шкалы. На рис. 5.8 в поле зрения теодолита 2Т30П отсчёты равны: ГК = 235^о47,5'; ВК = - 4^о27,0'. В поле зрения теодолита Т30М: ГК = 25^о22,6'; ВК = 7^о32,3'. В поле зрения теодолита Т5К: ГК = 304^о23,6'; ВК = +2^о47,5'. При отсчетах по пятиминутным интервалам точность отсчёта равна 1', а при соответствующем навыке – 0,5'. По шкалам с ценой деления 1' точность отсчёта равна 0,1'.