Простыми словами: теодолит – что это такое?

Предназначенный для проведения горизонтальных и вертикальных замеров на местности, теодолит один из наиболее востребованных устройств при проведении геодезических измерений.

Его прообраз был известен уже жителям древней Греции и Рима, а современный, известный всем топографам и геодезистам вид он обрел в 18-19 веке с развитием механики и оптики.

Прогресс не стоит на месте и вместе с ним повышается качество и функционал прибора и, как следствие, точность и диапазон его измерений.

Геодезия – что это

Методы геодезической науки используются при проведении «на местности» измерений, необходимых при осуществлении хозяйственно-экономической деятельности человека: строительстве, прокладки дорожной инфраструктуры, кадастровых и иных разграничений.

Что такое теодолит в геодезии и что он делает? На этот вопрос вы получите ответ далее, прочитав нашу статью.

Описание

Теодолит представляет собой оптический прибор высокой точности, предназначенный для замера углов между выбранными точками «в поле».

Устройство нужно для того, чтобы проводить съемку и измерение как горизонтальных, так и вертикальных углов на рельефе земной поверхности, а также на промышленных и жилых конструкциях. Также он предназначен для измерения дальномерных расстояний.

Практичный и надежный, теодолит сегодня применяется в самых разных сферах хозяйственно-экономической деятельности. Им пользуются и на суше, и на воде: строители и железнодорожники, геодезисты и геологи, полярники и нефтяники. С развитием промышленности и приборостроения постоянно совершенствуется точность измерений и расширяется модельный ряд устройств: на рынке появляются приборы, удовлетворяющие самым разным запросам, как по конструктивным и функциональным особенностям, так и по цене.

В статье рассмотрим устройство инструмента, его принцип действия и применение.

Устройство

Конструкция теодолита состоит из базовых частей, которые усложнялись с развитием техники, оснащая его большим количеством функций. Строение инструмента:

• Металлическую треногу с регулируемым штативом и подставкой;
• Центровой отвес и пузырьковый цилиндрический уровень для ровной установки устройства на подставку (трегер);
• Три выравнивающих подъемных винта трегера для горизонтирования прибора;
• Алидаду – верхняя вращающаяся часть прибора, на которой располагаются подвижная зрительная трубка и отсчетный механизм;
• Винты алидады – наводящий и закрепляющий;
• Вертикальный и горизонтальный (лимб) круги, размеченные на угловые градусы;
• Винты горизонтального круга: наводящий и закрепляющий;
• Трубку с наводящим и закрепляющим винтами осуществляющими регулировку резкости изображения, окуляром со стороны смотрящего и объективом, обращенным к объекту наблюдения;
• Окуляр: в него и в объектив устанавливаются линзы, с нанесенной сеткой (коллимационной плоскостью); или датчикилазер (электронная система);
• Кремальеру – винтовой элемент для фокусировки изображения в окуляре;
• Опоры для оси вертикального вращения трубки;
• Отсчетное устройство – оптический микроскоп (со специальным визиром, шкаловой или штриховой линзой и специальным зеркальцем или автономным источником света для считывания показаний).

В современных моделях могут отсутствовать некоторые составные части (например, винты или оптический визир отсчетного устройство), но, при этом, содержать в конструкции дополнительные элементы, например, фото- видеокамеру, лазерную указку, дисплей и клавишную панель настройки.

Основные части современного теодолита – алидада, зрительная труба, лимб или горизонтальный круг, подставки, цилиндрический уровень, подъемные винты и вертикальный круг.

Устройство зрительной трубы теодолита:

Горизонтальный круг

Горизонтальный и вертикальный круги теодолита – основные круговые оси прибора, необходимые для замера углового наклона исследуемого объекта.

Горизонтальный круг, или лимб [в переводе с англ. кромкакайма] представляет собой кольцо из стекла, с нанесенными на него штриховыми угловыми числовыми значениями (градусы, минуты, иногда и секунды).

Шкала представляет собой полный круг от 0-го до 359-го градуса.

Шаг лимба зависит от показателя точности теодолита.

Лимб и алидада

Алидадой [от арабской транслитерации – alidade – бок, сторона] называется вся верхняя конструкционная часть теодолита. Она закрепляется на оси непосредственно над лимбом и позволяет конструкции вращаться в горизонтальной плоскости.

Алидада включает в себя колоннообразные опоры: на одной из них располагается вертикальный замерный круг, а в другую вмонтирован микроскоп отсчетного устройства, с помощью которого можно точно определить угол заданный поворотом алидады по окружности лимба. Между опорами располагается подвижный в вертикальной плоскости цилиндр трубки. Алидада и лимб закрываются герметичными кожухами из металла или высокопрочного пластика для предохранения от загрязнения и деформации.

Алидада, трубка и лимб являются ведущими подвижными элементами прибора. Алидада задает отсчет относительно исследуемых точек, после чего для фиксации системы координат кольцо лимба вращается и закрепляется винтами относительно исследуемых точек.

Важно! Во время работы «в поле» вертикальная ось, на которой вращается алидада, условно соединяется с вертикалью, пересекающей вершину угла, который нужно измерить, и по зафиксированному горизонтальному лимбу ведется отсчет.

На видео вы можете посмотреть про назначение и устройство теодолита:

Виды

Сегодня индустрия измерительных приборов поставляет на рынок множество моделей теодолитов.

Классификация осуществляется по ГОСТ 10529-96 на основании ряда критериев и позволяет выбрать то устройство, которое подойдет для решения задачи, поставленной перед исследователем-астрономом, маркшейдером, топографом или инженером-геодезистом.

Классификация по точности

По величине средней квадратичной погрешности угловых измерений, приборы подразделяются на:

1. Высокоточные (Т1) – величина погрешности составляет до 2-1,5 угловых сек.;
2. Точные (Т2, Т5) – с погрешностью до 10 угловых сек.;
3. Технические (Т15, Т30, Т60) – с величиной погрешности от 10 угловых секунд до 40-60 угловых сек.

Справка! При работе на стройплощадках, кадастровом замере или прокладке дорожной инфраструктуры используются в основном теодолиты второго типа – они наиболее популярны и распространены в свободной продаже.

По области применения

По сфере, в которой используется прибор, он может относиться к:

1. Маркшейдерскому – средне-точные (до 15 угловых сек.) теодолиты, с расширенным диапазоном вертикальных углов, особенности конструкции которых, такие как встроенное освещение отчетных устройств, дополнительный компенсатор горизонтальной опоры и предохраняющий от взрыва ударный корпус, позволяют использовать их как на рельефе, так и под землей, в горнодобывающей промышленности;
2. Геодезические – точные теодолиты, используемые для проведения большинства строительных, земельных, конструкторских и иных технологических угловых измерений.
3. Астрономические – одни из первых в истории, служили морякам, астрономам и картографам для вычисления местонахождения кораблей относительно земли, составления карт и исследования положений небесных тел.

Другие области, в которых активно применяются теодолиты – это картография, навигация, укладка трубопроводов и кабелей, и т.д.

Также производятся различные гибридные варианты (Фототеодолиты, Гиротеодолиты, Тахеометры и т.д.), сочетающие в себе функции нескольких приборов – не только замерение углов, но и, например, измерение расстояния до контрольных точек объекта.

По конструкции отсчетного устройства

Конструктивные особенности прибора позволяют подразделять его на:

1. Простые (или традиционные), в которых горизонтальный круг фиксируется с алидадой и может вращаться только вместе с ней;
2. Повторительные – в них лимб может вращаться свободно и фиксируется только после установки алидады;
3. С наличием уровня на вертикальном круге – прибор относится к более точным благодаря установленной цилиндрической шкале на алидаде вертикального круга, необходимой для выравнивания нуля. При отсутствии заменяется оптического горизонтального компенсатора;
4. С установкой компенсатора угла наклона. Компенсатор представляет собой механическую или гидромеханическую маятниковую конструкцию (состоит из призмы и зеркал), которую располагают в смотровой трубке между двумя линзами так, чтобы при любом наклоне для смотрящего сохранялась горизонталь. За счет наличия «мягкой» демпферной прокладки механизм компенсатора позволяет, до определенного предела, избежать грубых неточностей измерений, связанных с невозможностью выверения уровня.

В отличие от традиционных моделей, теодолиты с компенсационным механизмом угла наклона не требуют особенно «тонкой» настройки и используется в закрытых пространствах с неровной или колеблющейся поверхностью для проведения менее точных измерений.

По физической природе носителя информации

По данному параметру теодолиты могут быть:

1. Механическими – такими были первые модели и прообразы, в которых лимб был из метала, а измерения производились «на глаз», с использованием дополнительных механических устройств отсчета: лупы с штрих-шкалой или верньерной линейки;
2. Оптическими – «классические» теодолиты, в которых шкала наносится на стеклянный лимб-кольцо, отсчет ведется благодаря микрометру или микроскопу с индексом или шкалой;
3. Электронным – набирающим популярность и более точным, но менее прихотливым, чем традиционные модели. Эти модели не нуждаются в «тонкой» настройке со стороны наблюдателя. Он, как оператор, визирует цель измерения, задает и оценивает точность. При этом высчитывание величины углов осуществляется микропроцессором (МПЦ) и выводится на встроенный или закрепленный дисплей.

Справка! В электронных моделях лимб подразделяется не на градусы, а на дорожки, содержащие закодированные в системе 0 и 1 зоны, что позволяет МПЦ считывать сигнал и преобразовывать его в изображение, как с компакт-диска.

Точность измерения определяется качеством материала лимба и количеством нанесенных дорожек кодовой маски.

Поверка и юстировка

Перед началом работы большинство измерительных приборов необходимо откалибровать и убедиться, что он работает корректно, а измеряемые геометрические величины не выходят за пределы установленных погрешностей. Такая процедура называется поверкой. Если же после ее завершения обнаруживаются, что аппарат работает некорректно, необходимо произвести юстировку – то есть с помощью винтов или клавиш корректно выставить «нулевые» показатели прибора.

Для корректной работы теодолита, при первой эксплуатации следует убедиться, что:

• Основная вертикаль прибора расположена параллельно колоннообразным опорам и перпендикулярно горизонтальному замерному кругу и алидаде;
• Нити в оптической сетке трубки соответственно совпадают с горизонталью (определяется горизонтальным круговым вращением с фокусом на удаленной точке) и вертикалью (определяется с помощью удаленного отвеса на нитке);
• Визирные оси в объективах трубки совпадают и составляют точный перпендикуляр к горизонтальной оси алидады – то есть если трубку перевернуть на 180 градусов, визирная ось не сместиться ни влево, ни вправо от базового значения;
• Ось, на которой крепится сама трубка, не имеет перекосов по высоте и составляет перпендикуляр с основной вертикальной осью прибора теодолита;
• Горизонтальные оси на обоих объективах должны быть параллельны.

В современных приборах, корпус которых пломбируют, за соблюдение этих показателей отвечает изготовившее устройство предприятие. Если по какому-то из пунктов поверки наблюдаются расхождения, следует обратиться в специализированную мастерскую или к представителю компании-изготовителя.

Про поверки “относительно” кратко, вы можете ознакомиться на видео:

Принцип работы

Базовый принцип действия прибора заключается в наведении зрительной трубки на цель, после чего, с помощью геометрической проекции наблюдаемых через объектив горизонтальной и вертикальной осей, через отсчетное устройство по лимбу возможно измерить углы отклонения каждой оси.

Для того, чтобы работать с теодолитом, от оператора требуется определенный уровень знаний в области геометрии, механики и астрономической геодезии, а также практические навыки обращения с высокоточными устройствами. Существующие в промышленности электронные приборы во многом упрощают эксплуатацию, но и в принципах их работы желательно разобраться заранее.

В упрощенном виде, процедура работы с теодолитом, не зависимо от его типа, сводится к следующим действиям:

1. Размещение штатива и выравнивание теодолита по горизонтальной поверхности, принимаемой за линию отсчета;
2. Наведение поочередно на две условные отметки объекта, сначала «на глаз» с помощью трубки, а затем более точно наводящими винтами;
3. Фиксация значений расположения точек вертикальной или горизонтальной нитью на визире. Двигаться при этом нужно по часовой стрелке;
4. Проведение расчетов на основании данных, зафиксированных на горизонтальном или вертикальном лимбе при фокусе на каждой из точек. Таким образом, будет получено нужное значение угла между прямыми, на которых расположены искомые отметки.

Справка! В геодезических и картографических вузах обращению с прибором посвящается специальный курс; отдельные программы подготовки разработаны также в центрах повышения профессиональной квалификации.

Подготовка к работе

Для того чтобы проводить качественные замеры на местности, теодолит важно установить и привести в рабочее положение.

Для этого последовательно проводится ряд предварительных операций.

Центрирование

Это первый этап развертывания прибора, который подразумевает выбор центральной точки отсчета при проведении замеров. Когда точка определена, оператор укрепляет над ней штатив, после чего, используя оптику (центрир) или нить с грузом, закрепленную на штативе (отвес), выравнивает площадку так, чтобы она располагалась по линии центра и параллельно нити отвеса. Таким образом, размещенный на штативе теодолит не будет отклоняться по вертикальной оси.

Горизонтирование

После того как прибор будет ровно стоять по вертикали, необходимо также произвести выравнивание по горизонтальной оси. Эта процедура называется горизонтированием и осуществляется тремя подъемными винтами горизонтальной алидады. Ориентироваться, в зависимости от модели прибора, необходимо на цилиндрический или круглый уровень алидады горизонтального круга. Оперируя винтами, оператор приводит воздушный пузырек уровня в положение 0. Допустимое отклонение не должно превышать 1 деление на уровне.

Фокусировка

После того, как теодолит выровнен и закреплен по центру точки отсчета, проводится фокусировка – настройка точности прорисовки сетки зрительной трубки и отсчетного устройства. Первая осуществляется поворотом окулярного кольца трубки до тех пор, пока нити сетки не будут видны максимально четко.

Для фокусировки второму оператору следует вращать диоптрийное кольцо на отсчетном устройстве, добиваясь четкого видения штрихов-делений на шкале микроскопа.

Справка! В современных электронных моделях теодолита отсчетное устройство не настраивается, но программируется на предприятии-изготовителе. Визир микроскопа в такой конструкции не предусматривается, а показания по замеряемым углам отображаются на специальном мониторе.

На видео предоставлена подробная инструкция:

Как правильно измерить вертикальные и горизонтальные углы

Измерение горизонтальных углов с использованием теодолита проходит в две или три стадии, в зависимости от типа устройства. Если используется классический теодолит, к двум измерительным добавится одна вычислительная.

Принимая, что вершиной искомого угла является установленный прибор, оператор наводит вертикальную нить сетки зрительной трубки на первую отметку и фиксирует значение на горизонтальном лимбе. В современных теодолитах с электронной «начинкой» отметка определяется на лимбе автоматически и закрепляется как 0 с помощью кнопок на панели прибора; в традиционных – отмечается оператором через окуляр отсчетного устройства и заносится в журнал измерений.

После этого по часовой стрелке трубка наводится на вторую отметку. Электронный прибор, при этом, высчитает угол сам и выведет показания на экран. При работе с традиционным устройством, оператор должен будет через микроскоп снять показания с горизонтального лимба и, путем геометрических операций, вычислит значение искомого угла.

Нагляднее вы можете ознакомиться со способами измерения горизонтальных углов на видео:

Вертикальные углы меряют таким же способом. При этом вращение трубки будет осуществляться не в плоскости горизонтального, но в плоскости вертикального лимба, с совмещением отметок не с вертикальной, а с горизонтальной нитью сетки трубки.

Как работать с теодолитом, инструкция-ликбез для новичков:

Правильная эксплуатация

Не зависимо от того, какой моделью теодолита – электронной или классической, предстоит пользоваться, важно помнить, что это чувствительный прибор высокой точности, требующий аккуратного обращения и корректной эксплуатации.

От пункта к пункту его следует перевозить в специальном, предназначенном для конкретной модели коробе или футляре, стараясь не допускать тряски и падения прибора с высоты.

Механические детали конструкции при вращении на осях или винтах должны свободно двигаться, но не должны быть разболтаны и при необходимости плотно фиксироваться во время эксплуатации устройства.

Рекомендуется также всегда внимательно следить за оптическими компонентами – окуляры и визиры необходимо беречь от пыли и грязи, и не допускать их деформации (сколы, трещины и т.п.)

Отдельное внимание уделяется штативу – при размещении следует убедиться, что тренога расположена устойчиво, а все ножки и площадка крепко зафиксированы.

Во время проведения замеров, работа с прибором должна быть достаточно бережной, после чего перед упаковкой в короб или футляр, его необходимо проверить и прочистить.

Что такое нивелир

В картографических и геодезических измерениях в паре с теодолитом применяется еще одно устройство – нивелир.

Прибор служит для определения горизонтали поверхности и измерения разницы в высотах на ландшафте или строящемся объекте.

В чем разница нивелира и теодолита

Главное отличие в том, что по конструкции нивелир проще теодолита, но для работы с ним при проведении расчетов нужен помощник. В базовой комплектации устройство также состоит из трубки, установленной на штативе, но, в отличие от теодолита, нивелир имеет только одну горизонтальную плоскость вращения.

Именно по ней оператор ориентирует сетку трубки прибора, проводя измерения. При этом разница в высотах фиксируется с помощью размеченной рейки, которую в точке измерений вертикально держит помощник.