Теодолит: устройство, принцип действия, виды и назначение

Вернуться ко всем статьям

Каждый, кто хоть раз пытался спроектировать и возвести даже скромное по размерам и архитектуре сооружение, проложить коммуникации или разбить участок, знают, как сложно выверить и рассчитать все необходимые параметры. Увы, счастливая судьба Пизанской башни суждена не всякому строению!

Хорошая новость в том, что сегодня существуют точные измерительные устройства, позволяющие избежать роковых ошибок уже на стадии проекта. Одним из таких устройств является теодолит.

Теодолит— это прибор, предназначенный для определения горизонтальных и вертикальных углов, позволяющий вычислить расстояние между точками, разницу их уровней по вертикали.

Теодолит в работе

Внешне устройство может напоминать другой геодезический прибор — нивелир. Однако назначение и возможности у этих устройств разные. Если нивелир определяет разность высот по отношению к условной горизонтали, то теодолит создан прежде всего для измерения углов. При этом он способен выполнять функцию нивелира. Этому соответствует и конструктивное отличие приборов: визирная труба теодолита вращается и по горизонтали, и по вертикали, а у нивелира — только по горизонтали. Кроме того, работа с теодолитом, как правило, не требует помощника, а нивелир предполагает наличие ассистента, который будет держать нивелирную рейку на траектории видимости визирной трубы.

Применение

Без теодолита в современном мире немыслима работа геодезистов, маркшейдеров и строителей. Благодаря теодолитной съемке возможна максимальная точность топографических карт, верный выбор направления при прокладке дорог, мостов и тоннелей. Такие приборы используются при проектировании инженерных сооружений и в общестроительных работах: для разметки фундамента, установки опор, свай, колонн и т. п.

Теодолит относится к высокоточному оборудованию и прежде всего предназначен для работы с ответственными инженерными объектами. Однако не менее оправдано его использование в так называемом малом строительстве — при возведении частных жилых построек: домов, бань, гаражей и т. п. Например, если рельеф строительного участка имеет уклон, это должно быть учтено и в структуре фундамента, и в архитектуре будущего строения. Для составления оптимального проекта будущего сооружения нужно снять несколько точек местности, чтобы определить угол уклона и перепад высот.

Среди теодолитов существует множество модификаций, каждая из которых приспособлена к различным условиям использования. В данной статье рассмотрим устройство, общие характеристики и некоторые частные особенности разных видов этих приборов.

Устройство

Конструкция таких устройств базируется на принципе измерения горизонтального угла и угла наклона. Основу прибора составляют визирная труба и два отсчетных круга: горизонтальный и вертикальный. Труба закреплена между двух колонок, установленных на специальном основании, которое в свою очередь помещено на трегер (подставку) с тремя подъемными винтами. Вся конструкция целиком устанавливается на геодезический штатив. Скорректировать и зафиксировать оси прибора по горизонтали и вертикали, навести трубу на определенные точки позволяет система регулирующих, настроечных и фиксирующих винтов.

Рассмотрим эти и другие элементы теодолита более подробно.

Визирная труба служит для наведения на точки исследуемого объекта. Она состоит из объектива, окуляра, сетки нитей и фокусирующего устройства с кремальерой. Для получения резкого изображения объекта вращают кремальеру, а для установления четкого изображения сетки нитей — окуляр. С визирной трубой в оптических приборах спарен отсчетный микроскоп (штриховой или шкаловый), который дает большую степень увеличения и служит для снятия показаний горизонтального и вертикального кругов. Исходное наведение на точку осуществляется с помощью установленного на трубе визира.

Визирная труба, удерживаемая на подставке, может вращаться вокруг горизонтальной оси. Изменения ее наклона отображаются на шкале вертикального круга. Сама подставка вместе с трубой может поворачиваться вокруг вертикальной оси, и угол поворота фиксируется на шкале горизонтального круга. Отсчетный микроскоп передает изображение параметров угла по шкалам вертикального и горизонтального кругов. В некоторых моделях есть компенсатор. При уклоне вертикального круга он исполняет роль противовеса, тем самым сохраняется точность измерений. Трубы большинства геодезических приборов дают обратное (перевернутое) изображение предмета. Но есть модели теодолитов с прямым изображением.

Горизонтальный отсчетный круг составляют две основные шкалы прибора: лимб и алидада. Лимб — фиксированный угломерный круг с делениями от 0 до 360°. Алидада — подвижный круг с отсчетным устройством, при помощи которого производится отсчет по лимбу.

Горизонталь отсчетных кругов теодолита устанавливается и корректируется с помощью цилиндрического уровня. Для настройки прибора перед началом измерений служит оптический центрир или отвес, который подвешивается на крюк, расположенный внизу трегера. Правильная и надежная установка устройства на грунте достигается с помощью штатива.

Виды теодолитов

По конструкции, принципу действия и способу отсчета известны три наиболее востребованных вида теодолитов: оптические, электронные и лазерные. Рассмотрим каждый из них.

Оптические являются самыми распространенными. Это приборы со стеклянными угломерными кругами и призменно-линзовыми отсчетными микроскопами. При их использовании все измерительные действия производит наблюдатель: с помощью отсчетного микроскопа он определяет параметры угла между несколькими вертикальными и горизонтальными точками объекта, ориентируясь по соответствующей отсчетной шкале. Итоговые данные получаются в результате расчетов. При таком принципе действия, конечно, допускаются неточности. Но, как правило, при корректной работе прибора они некритичны. Главным преимуществом таких теодолитов является возможность работы в полевых условиях и при любой погоде.

Виды теодолитов

Электронные теодолиты оснащены микропроцессором, который помогает точнее произвести настройки и обрабатывает всю полученную информацию. Встроенные датчики позволяют автоматически производить вычисления и выводить полученные данные на жидкокристаллический дисплей.

Электронный теодолит CONDTROL iTeo 5

CONDTROL iTeo 5

  • Наименьшее расстояние визирования, м 1,3
  • Диаметр объектива, мм 45
  • Увеличение, x 30
Подробнее
Электронный теодолит RGK T-20

RGK T-20

  • Наименьшее расстояние визирования, м 1,3
  • Диаметр объектива, мм 45
  • Увеличение, x 30
Подробнее

Таким образом, оператор видит показатели вертикального и горизонтального угла не в сетке оптического стекла, а в виде цифровых символов. Некоторые электронные модели комплектуются дальномером, который позволяет определять расстояние до объекта. Погрешности в расчетах практически исключены. Эти приборы отличаются высокой степенью точности и применяются на особо ответственных объектах. Освоить работу с электронным теодолитом значительно легче. Главные его слабости — потребность в подзарядке (аккумулятор) и чувствительность к атмосферным условиям (микропроцессор).

Лазерные теодолиты оснащены целеуказателем — лазерным лучом, который идет параллельно линии визирной трубы или совпадает с ней, высвечивая линию исследуемых точек. При этом обеспечивается не только измерение горизонтальных и вертикальных углов, но и с высокой точностью задаются направления и уклоны.

Электронный теодолит с лазерным целеуказателем RGK T-02 ЛЦУ

Электронный теодолит RGK T-02 – это профессиональный оптический инструмент повышенной точности, позволяющий измерять вертикальные и горизонтальные углы со средней квадратической ошибкой 2”. Подобной точности достаточно даже для тонких инженерных изысканий, геодезической съёмки и проектирования при строительстве.

Электронный теодолит с лазерным целеуказателем RGK T-02 ЛЦУ
  • Наименьшее расстояние визирования, м: 1,3
  • Диаметр объектива, мм: 45
  • Увеличение, x: 30
  • Погрешность, дюйм: 2
  • Резьба под штатив, дюйм: 5/8
  • Степень защиты от пыли и влаги: IP45
  • Поставляется в кейсе
Подробнее

Видимая лазерная линия, которую строит такое устройство, может использоваться при выполнении работ как координатная ось с заданным угловым положением по вертикали и горизонтали, в том числе для управления строительной техникой.

По конструкции осевой системы теодолиты могут быть:

  • Повторительные. Имеют такую систему горизонтального и вертикального круга, которая позволяет лимбу и алидаде вращаться вокруг своей оси совместно или независимо друг от друга. Эта конструкция дает возможность путем последовательного вращения алидады повторять на лимбе величину измеряемого горизонтального угла, тем самым увеличивая степень точности измерений.
  • Неповторительные. Имеют жестко закрепленный лимб, который вращается только при ослаблении фиксирующего винта. При необходимости его можно открепить и установить в нужном для измерений положении.

По степени точности теодолиты делятся на следующие группы:

  • Высокоточные — дают погрешность измерения, равную 1″ или меньше. Такие приборы используются только на ответственных объектах.
  • Точные — погрешность может составлять не более 10″. Это самые распространенные и востребованные приборы.
  • Технические — допускают ошибку до 60″. Такая погрешность не является критической при проектировании неответственных объектов. Обычно эти устройства применяются в малоэтажном строительстве.

Как пользоваться теодолитом

Проведение сложных измерений невозможно без вычислительной техники и специальных знаний. А вот определить горизонтальный и вертикальный углы, установить высоту строения, проверить правильность разбивки осей здания сможет научиться каждый. Принцип съемки состоит в определении неизвестных координат и высот методом сравнения с точками с известными параметрами.

Перед проведением измерений нужно привести прибор в рабочее положение:

  1. Установить аппарат на штатив над точкой с известными координатами.
  2. Произвести центрирование и горизонтирование прибора.
  3. Настроить визирную трубу и отсчетный микроскоп.

Настройка визирной трубы производится по глазу и по предмету. Настройка по глазу выполняется с помощью подвижного кольца окуляра (фокусирование сетки нитей). Установка по предмету выполняется путем вращения кремальеры. После этого прибор готов к работе.

Теодолит на штативе

Подробно описывать порядок измерений и вычислений в данной статье будет излишне. Но краткий алгоритм действий даст представление об особенностях работы с самым распространенным видом теодолитов — оптическим.

Измерение горизонтального угла

Горизонтальный угол измеряют дважды — при двух положениях трубы: при «круге право» (КП) и при «круге лево» (КЛ). Для описания действий условно обозначим измеряемый угол точками АВС. Далее осуществляем измерения при КЛ:


  1. Теодолит устанавливаем в точке, которая является вершиной измеряемого угла (В). Какими-либо вехами отмечаем конечные точки линий, образующих угол (А и С).
  2. Наводим перекрестие оптического визира на точку А.
  3. Снимаем отсчет по горизонтальному кругу и записываем результат.
  4. Открепляем алидаду и трубу, наводим прибор на точку С. Снова снимаем отсчет по горизонтальному кругу.
  5. Разность значений по точкам А и С дает значение горизонтального угла, измеренное одним полуприемом.

Переходим к измерению угла при КП:

  1. При закрепленной алидаде открепляем лимб и перемещаем его на произвольный угол (примерно 5°).
  2. Лимб закрепляем, открепляем алидаду.
  3. Трубу поворачиваем вокруг оси (через зенит) и измеряем угол в той же последовательности.
  4. Сняв отсчеты при наведении на точки А и С, записываем результаты и вычисляем второе значение горизонтального угла.

Расхождение между значениями, полученными в полуприемах, не должны превышать двойной точности прибора. Если расхождение допустимо, то вычисляют среднее значение угла.

Измерение вертикального угла (угла наклона)

Вертикальным углом, или углом наклона, называется угол, составленный воображаемой линией горизонта и линией визирования на объект. Измерение угла наклона производится в следующем порядке:

  1. Наводим трубу на определяемую точку.
  2. Проверяем положение пузырька цилиндрического уровня.
  3. Если он отклонился, приводим его в положение «нуль-пункта».
  4. Снимаем отсчет по вертикальному кругу.
  5. Поворачиваем трубу через зенит и наводим теодолит на ту же точку.
  6. Снимаем отсчет по вертикальному кругу.
  7. Делаем вычисления угла наклона по формуле.

Расчетные формулы, как правило, приводятся в паспорте прибора и зависят от типа оцифровки и основного положения вертикального круга — «круг лево» или «круг право».

Поверка теодолита

Технологическая поверка проводится с целью определения технических характеристик прибора, подтверждающих его готовность к измерениям. Если этого не сделать, вероятность ошибок в измерениях повышается. Для корректной работы теодолита требуется соблюдение ряда геометрических условий. Они касаются в основном расположения основных осей:

  1. Ось цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга должна быть перпендикулярна вертикальной оси вращения прибора.
  2. Ось вращения алидады должна быть установлена строго вертикально.
  3. Визирная ось трубы должна быть перпендикулярна горизонтальной оси ее вращения. Визирной осью называется воображаемая прямая, проходящая через оптический центр объектива и центр сетки нитей.
  4. Горизонтальная ось вращения визирной трубы должна быть перпендикулярна вертикальной оси вращения.
  5. Горизонтальная нить сетки должна быть перпендикулярна вертикальной оси вращения.

В случае обнаружения нарушений геометрических условий производят юстировку (исправления).

Заключение

Итак, очевидно, что теодолит — серьезный измерительный прибор. Он не просто облегчает многие виды инженерных и исследовательских работ, но часто является обязательным условием их успешного проведения.

Приобретение этого устройства должно быть обусловлено предстоящими задачами: строительство, прокладка дороги, геодезические исследования, топографический план, разметка и пр.

Важно учесть необходимую степень точности прибора и оценить условия, в которых чаще всего будет производиться теодолитная съемка.

При отсутствии соответствующих знаний и навыков необходимо лишь большое желание их приобрести!