Чем измеряют углы на местности какие приборы
Приборы и инструменты для измерения углов
В разное время каждый из нас знакомится с геометрическими, географическими и геодезическими инструментами для измерения углов. Нахождение углов осуществляется при выполнении полевых геодезических, маркшейдерских, изыскательских работ и камеральной обработке измерений.
Измерения углов на плоскости
Наверное, самым первым знакомством из так называемых камеральных инструментов у каждого из нас было знакомство с транспортиром. На профессиональном уровне металлический геодезический транспортир с поперечным масштабом использовался в маркшейдерских отделах шахт и карьеров при выполнении камеральных, проектных и подготовительных работ. С его помощью графическим способом определяют горизонтальные углы и откладывают дирекционные углы при проектировании горных выработок, подготовительных работах для задания им направления на планшетах и планах.
Следующим, применяемым в камеральных условиях геодезическим инструментом можно считать тахеограф. Его используют при графическом оформлении результатов тахеометрической съемки. Он представляет единую конструкцию из круга с градусной шкалой и линейки. С его помощью по дуге вдоль конструкции круга отмечаются значения горизонтальных углов съемочных точек, перенесенных из журнала полевых работ. А расстояния до точек съемки откладывают по линейке в соответствующем масштабе составления плана.
Пространственные измерения углов
Для получения пространственного положения точек местности и отображения их на плоскости в геодезии применяются способы измерения расстояний и углов между ними с помощью различных геодезических приборов.
Качественной характеристикой геодезических и маркшейдерских измерений считается точность их выполнения, которая зависит от многих факторов и аспектов. Одним из них являются средства измерения. Существует своеобразный инженерный подход для выбора соответствующего инструмента требуемой точности работ. Так что все приборы измеряющие углы можно разделить по точности исполнения измерений.
Буссоль и эклиметр
Эти два приспособления могут использоваться в одном виде работ, называемом буссольная съемка (ход). Она применяется в местности, где нет возможности применять теодолитные ходы, тахеометрические съемки. Особую ценность при съемках крутых, круто наклонных и наклонных горных выработок в рудниках имеет подвесная буссоль, используемая до настоящего времени.
Буссолью измеряют магнитные азимуты всех сторон хода, по разности которых можно определить горизонтальные углы. На планах графическим способом выстраивают линии буссольного хода с применением транспортира при откладывании азимутов (или горизонтальных углов) и с использованием поперечного масштаба и циркуля при построении длин линий хода. При прокладывании буссольного хода для получения вертикальных углов между точками используют подвесной эклиметр.
Он представляет собой металлический полукруг со шкалой и отвесом, крепящимся в его центре. При подвешивании полукруга на натянутые между точками хода шнуры берут отсчеты по отвесной линии, проходящей через шкалу эклиметра. Эти отсчеты соответствуют значениям вертикальных углов линий буссольного хода, которые необходимы для определения горизонтальных проложений этих сторон.
Угломеры
Следующим прибором, служащим для измерения углов, применяющимся в маркшейдерском производстве, безусловно, считается угломер горный. Этот инструмент используется для определения линии и формы очистного забоя в подземных горных выработках угольных шахт. Развитие и применение таких приборов проходило на протяжении практически всего советского периода страны, последний из них У-60 выпускался со специальными визирными марками.
Точность измерения углов такими приборами относительно не высокая, но вполне достаточная для тех работ, которые выполняются с их помощью. Зависит она в первую очередь от точности снятия отсчетов и цены деления механической части шкалы, а именно: отсчетного устройства лимба с дополнительными шкалами (нониус, верньер).
Теодолиты и тахеометры
Наиболее широко используемыми инструментами для измерения горизонтальных и вертикальных углов в современной геодезии и маркшейдерии являются теодолиты. Основным критерием, по которому разделяют теодолиты на разные типы, считается точность измерений. Из них можно выделить:
Числовые величины в маркировках современных теодолитов соответствуют значению, с девяноста пяти процентной вероятностью, среднеквадратической погрешности измерения угла.
Известно, что для определения пространственного положения точек используются измерения углов в вертикальной плоскости или как их называют вертикальных углов. Для этого в угломерах, теодолитах конструктивно устроен вертикальный круг измерений. В последние десятилетия технические усовершенствования и технологическое развитие сказалось и на новых устройствах теодолитов. Появились новые модификации и в зависимости от назначения этих устройств выделяют:
Инклинометры
Интересный прибор, связанный с измерительным процессом определения пространственного положения в точках недоступных для измерений другими возможными способами. С его помощью определяют угол наклона (вертикальный угол) и азимут линии в заданном направлении в конкретной точке (точки съемки), например при бурении скважин.
Принципы действия в настоящее время в таких приборах разнообразны. В основе использования простейшего устройства инклинометра ИК-2 стоят три чувствительных элемента, позволяющие определять пространственное положение:
И один элемент в этом приборе позволяет фиксировать азимут и угол наклона, называемый переключающим механизмом.
Не вдаваясь в технические особенности всевозможных видов инклинометров, они в любом случае состоят из двух частей:
Свое применение инклинометры находят в различных отраслях. Они используются при измерениях в глубинных скважинах во время геологической разведки месторождений полезных ископаемых. Были задействованы при установлении и определении положения «скользящей» опалубки на больших высотах при выполнении целого комплекса геодезического обслуживания во время возведения самого высотного небоскреба Бурдж Дубай высотой 828 метра. Так на первых ста пятидесяти шести этажах железобетонной качающейся конструкции башни для измерения ее пространственного положения было установлено восемь двухосевых электронных датчиков инклинометров Leica NIVEL 210. Эти датчики позволили выполнить измерения наклона в двух перпендикулярных осях с точностью 0,2 секунды.
Угломер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение и как выбрать
Измерение углов на местности с помощью линейки.
Если линейку держать на расстоянии 50 см от глаз, то деление в 1 мм будет соответствовать 0-02. При удалении линейки от глаз на 60 см 1 мм соответствует 6 минутам, а 1 см — 1 градусу. Для измерения угла в тысячныхлинейку держат перед собой на расстоянии 50 см от глаз и подсчитывают число миллиметров между предметами, обозначающими направления сторон угла. Полученное число умножают на 0-02 и получают величину угла в тысячных.
Для измерения угла в градусах порядок действий тот же, только линейку необходимо держать на расстоянии 60 см от глаз. Точность измерения углов с помощью линейки зависит от умения выносить линейку точно на 50 или на 60 см от глаз.
Сфера использования
Сфера применения угломеров- это практически все области деятельности человека. Они требуются везде, где проводится проектирование изделий, построение их чертежей и разметка заготовок. Угловые измерения проводятся в таких отраслях, как:
Угломер используют в разных сферах, в том числе и в строительстве
Углы окружают человека повсюду- повсюду он пользуется и угломерами.
Глазомерное определение углов на местности.
Глазомерное определение углов на местности заключается в сопоставлении измеряемого угла с известным. Углы определенной величины можно получить следующими способами. Прямой угол получается между направлением рук, одна из которых вытянута вдоль плеч, а другая — прямо перед собой. От составленного таким приемом угла можно отложить какую-то часть его, имея в виду, что 1/2 часть соответствует углу 7-50 (45 градусов), 1/3 — углу 5-00 (30 градусов) и т. д.
Угол 2-50 (15 градусов) получается путем визирования через большой и указательный пальцы, расставленные под углом 90 градусов и удаленные на 60 см от глаза, а угол 1-00 (6 градусов) соответствует углу визирования на три сомкнутых пальца: указательный, средний и безымянный.
По материалам книги Справочник по военной топографии. А. М. Говорухин, А. М. Куприн, А. Н. Коваленко, М. В. Гамезо.
Типы угломеров по принципу измерения
В зависимости от использованного способа угловых измерений, устройства разделяют на несколько типов:
Механические
Широко распространенные в слесарном и столярном деле механические угломеры делят на два подвида:
Механический угломер
Измерения плоских углов проводятся контактным способом- инструмент следует плотно прижимать к поверхности.
Маятниковые
Кроме определения угла между двумя направлениями, позволяют также проводить угловые измерения относительно горизонта. В старинных конструкциях для этого использовали отвес, прямой угольник либо карданный подвес, в современных применяют конструкцию, стабилизирующее свое положение в пространстве за счет быстрого вращения ротора- гироскопа. Прибор позволяет быстро определить уклон поверхности, наклоны сторон сложных конструкций и т. п. Некоторые лазерные дальномеры могут определять положение линии горизонта, обрабатывая сигналы спутников GPS
Оптические
В устройствах этого типа одна (или обе) стороны угла обозначаются с помощью оптической системы, направляемой на маркерную точку на измеряемом объекте. Это средство дистанционного измерения. К ним относятся навигационные, горные, астрономические и многие строительные приборы.
Лазерные
Это наиболее совершенные на сегодняшний день приборы. Обычно их совмещают с лазерным дальномером, угловые измерения- это дополнительная функция большинства из них. Два или более лазерных луча направляются на точки, лежащие на сторонах измеряемого угла. Процессор проводит вычисления угловых значений и выводит их на дисплее устройства. Может измерять углы в любой плоскости, отсчитывать их от заданной пользователем системы координат.
Простейшие устройства используют механическую шкалу, на которой оператором поворачивается лимб с установленной лазерной указкой. Продвинутые обрабатывают отраженный сигнал лазера самостоятельно.
Лазерный угломер
Широко используются при разметке строительных площадок и промышленных конструкций. Если при ярком солнечном свете пятно засветки от лазерного луча плохо видно, применяют дополнительные усилители и отражатели.
Электронные
Вычисление значений проводится встроенным процессором. Результаты измерений выводятся на дисплей. Устройства позволяют запоминать результаты последних измерений, проводить вычисления на их основе: например, разницу двух измеренных углов. Такие устройства активно используются при разметке заготовок на машиностроительных и деревообрабатывающих производствах, при раскрое листовых и рулонных материалов.
Кроме того, в учебе, производстве, строительстве и в быту широко используются угломеры постоянных углов- это шаблоны, выполненные с фиксированным углом в 90, 30, 45, 60. С их помощью можно определить, равен или нет измеряемый угол зафиксированному в шаблоне значению.
Принцип измерения углов. Теодолиты
Измерение горизонтальных и вертикальных углов на местности выполняют специальными приборами — теодолитами.
Горизонтальный угол — это ортогональная проекция пространственного угла на горизонтальную плоскость.
Вертикальный угол, или угол наклона,- это угол, заключенный между наклонной и горизонтальной линиями.
Принцип измерения горизонтального угла (рис. 23, а) заключается в следующем. В вершине А
Рисунок 23 — Горизонтальный (а
Вертикальный угол измеряют по вертикальному кругу (рис. 23, б
) аналогичным образом, но одним из направлений служит фиксированная горизонтальная линия. Из рисунка видно, что если наблюдаемая точка расположена выше горизонта, вертикальный угол (ν) положителен, если ниже — отрицателен (- ν).
На этом принципе основано устройство теодолитов (рис. 23, в
). Прибор состоит из подставки, которую устанавливают на три подъемных винта
1
. В отверстие подставки
2
входит ось вращения лимба
3
, в которую, в свою очередь, входит ось алидады
4
. Лимб — рабочая мера теодолита — представляет круг с делениями. Алидада — часть прибора, расположенная соосно с лимбом, на которой имеются элементы отсчетного устройства и две колонки, несущие ось вращения
НН
зрительной трубы
8
вертикального круга. На защитном корпусе алидады укреплен цилиндрический уровень
9
. Зрительная труба теодолита представляет собой визирное устройство, содержащее объектив, окуляр и сетку нитей. Уровень служит для приведения в определенное положение прибора в целом и отдельных узлов относительно отвесной линии. К основным частям теодолитов относятся наводящее и закрепительное устройства, служащие для наведения зрительной трубы на визирную цепь и закрепления подвижной части прибора в заданном направлении.
Для получения с помощью теодолита неискаженного значения результатов его геометрические элементы должны быть соответственным образом ориентированы относительно друг друга. Геометрические условия (рис. 24) теодолита записывают так: HH
Рисунок 24 — Геометрическое условие теодолита: оси РР перпендикулярны плоскости рисунка, остальные оси взаимно перпендикулярны, углы равны 90°
уровня и уровней на горизонтальном и вертикальном кругах, RR
— оси подъемных винтов,
KK’K’’
— визирная ось оптического отвеса.
Выяснение в полевых условиях сохранности взаимного расположения частей теодолитов называют поверками
Отечественная промышленность выпускает теодолиты, измерения которыми выполняют с погрешностью 0,5…30’’. Максимальная погрешность указывается в марке прибора, например, 3Т30-30’’, 3Т5КП-5’’ и т. д.
Рассмотрим устройство наиболее часто применяемых теодолитов. Особый интерес представляют теодолиты серии ЗТ — высокопроизводительные, удобные в работе, многофункциональные угломерные приборы, эксплуатация которых возможна в пределах температур + 50°С…-40°С.
В строительстве, изыскательских работах, при монтаже машин, оборудования, конструкций чаще всего применяют теодолиты типа 3Т5КП (рис. 25). Как правило, теодолиты укомплектовывают принадлежностями, существенно расширяющими область их применения. К стандартной комплектации относятся: буссоль; линзовая насадка на объектив; окулярная насадка на зрительную трубу и отсчетный микроскоп; электроосвещение отсчетных шкал, требующееся при работе в шахтах, ночью; визирная вешка, устанавливаемая в ручку для переноски теодолита; штатив.
Теодолит 3Т5КП имеет полую цилиндрическую систему осей вращения горизонтального круга. На прижимной к штативу пластине 1
на трех подъемных винтах
2
в трегере
20
винтом
3
фиксируют верхнюю часть прибора. Отсчетные шкалы горизонтального круга закрыты кожухом
22
, на котором укреплены стойки
6
. На одной из стоек укреплена шкала для снятия отсчетов по вертикальному кругу
21
. Центрирование теодолита осуществляют встроенным в алидадную часть
22
оптическим центриром
5
. Отсчеты по шкалам вертикального и горизонтального кругов, проходя через систему преломляющих призм, сводятся в микроскоп
15
. Цена деления лимба 1°.
Рисунок 25 — Теодолит 3Т5КП в рабочем состоянии с буссолью (а
—
г
) в различных ракурсах:
1
— прижимная пластина,
2
— подъемные винты,
3, 11, 12, 14
— зажимные винты,
4
— винт установки отсчета,
5
— окуляр центрира,
6
— стойка,
7
— объектив трубы,
8
— ручка для переноски,
9
— отверстие для установки вехи,
10
— зеркало подсветки,
13
— винт совмещения шкалы вертикального круга,
15
— микроскоп,
16
— уровень,
17
— электроосветительное устройство,
18
— электрокабель,
19
— защелка,
20
— подставка,
21, 22
— вертикальный и горизонтальный круги
Рисунок 26 — Поле зрения отсчетного микроскопа теодолита 3Т5К: отсчет по горизонтальному Г кругу 174°55,2’, по вертикальному В — 2°04,3’
Вертикальный круг теодолита жестко скреплен со зрительной трубой, а с алидадой вертикального круга — цилидрический уровень. Наличие уровня на алидаде вертикального круга позволяет устанавливать ее начальные штрихи горизонтально. В теодолите 3Т5К уровня при вертикальном круге нет, его роль выполняет оптический компенсатор. Индекс компенсатора занимает горизонтальное положение, и при измерении вертикальных углов показания отсчитывают по шкале без дополнительных действий.
Теодолит 3Т30 (рис. 27, а
) отличается от теодолита ЗТ5КП тем, что в его отсчетном устройстве нет шкалы. Цена деления лимба 10’.
Рисунок 27 — Теодолит 3Т30 (а
Рисунок 28 — Поле зрения отсчетного микроскопа теодолита 3Т30: 1
Отсчеты по кругам выполняют по вертикальному отсчетному штриху 1
(рис.128). Минуты определяют «на глаз» (70°05’ — по горизонтальному кругу, 358°48’ — по вертикальному). Зрительная труба
8
(см. рис. 27,
а
),теодолита 3Т30 может использоваться для центрирования над точкой, для чего используют окулярную насадку и полую вертикальную ось. Эту же насадку используют для визирования вертикально вверх. Фокусировку трубы производят винтом-кремальерой
11
. Резкость изображения сетки регулируют в соответствии со зрением наблюдателя вращением кольца окуляра
3
. У наблюдателя должно быть зрение + 5 диоптрий, в ином случае ему необходимо работать не снимая очков. Зрительную трубу наводят, поворачивая трубу в горизонтальной плоскости при отпущенном зажимном винте
15
. Его закрепляют при подведении трубы к цели, а наводящим винтом
16
точно вводят в биссектор (пространство, ограниченное двумя вертикальными нитями сетки поля зрения трубы). Зрительную трубу наводят на цель в вертикальной плоскости наводящим винтом
12
, при этом закрепительный винт
9
при точной подводке зажимают. Для наведения зрительной трубы вместе с лимбом и алидадой служит закрепительный винт
17
и наводящий винт, который расположен на подставке теодолита. На зрительной трубе установлен оптический визир
7
, с помощью которого трубу «на глаз» наводят на предмет. Рядом с окуляром зрительной трубы находится окуляр
4
отсчетного микроскопа.
Теодолит имеет стеклянный круг с делениями от 0 до 360°. Каждое градусное деление оцифровано. Вертикальную ось прибора устанавливают в отвесное положение по цилиндрическому уровню 14
. Уровень имеет юстировочные винты
15
. Подставка 2 теодолита несъемная, жестко скреплена с основанием
18
, служащим одновременно дном футляра. Ход подъемных винтов
1
подставки регулируется, что дает возможность устанавливать плавный ход.
Окулярные насадки надевают на окуляры зрительной трубы и отсчетного микроскопа.
Окулярная насадка (см. рис. 27, б
) представляет собой призму
19
, изменяющую направление визирной оси на 90°. Призма заключена в оправу
20
, которая, в свою очередь, помещена в обойму
21
. Оправа с призмой свободно вращается в обойме. На боковой крышке теодолита есть посадочный паз для установки ориентир-буссоли
6
.
Ориентир-буссоль (рис. 27, в
) помещена в металлический корпус
22
с крышкой, в которую для удобства наблюдений вмонтировано зеркало. В корпусе нанесены два индекса и помещена магнитная стрелка
24
. Для уравновешивания магнитной стрелки на ее южный конец надет грузик, который можно перемещать вдоль стрелки. Ориентир-буссоль крепится к теодолиту таким образом, чтобы линия, проходящая через индексы, была параллельна визирной оси трубы. Перед работой стрелку буссоли, находящуюся постоянно в закрепленном положении, опускают (разарретируют) для свободного вращения в горизонтальной плоскости.
Трубу теодолита 3Т30 можно при необходимости располагать горизонтально. Для этого на трубу устанавливают уровень: трубу перемещают примерно горизонтально, снимают визир, а на его месте закрепляют уровень.
Теодолитом 3Т30 можно не сходя с одного места визировать зрительной трубой, снимать отсчеты по обоим кругам, наблюдать за установкой уровней. Это особенно важно при работе на неустойчивом грунте. Ряд других теодолитов (в том числе зарубежных) имеют аналогичное устройство.
В настоящее время для автоматизации процесса измерения углов выпускают кодовые теодолиты. В кодовых теодолитах на лимбах вместо штрихов располагаются кодовые дорожки (диски), дающие возможность на основе сочетания прозрачных и непрозрачных полос получать при пропускании через них света лишь два сигнала: «темно — светло». В этом случае значение каждого наблюдаемого направления получается как сочетание двух таких сигналов. Тем самым в основу кода кладется двоичная система счисления, как в ЭВМ.
При работе с кодовым теодолитом в обязанность наблюдателя входит лишь наведение трубы на цель. Считывание отсчета по лимбу и последующая обработка выполняются автоматически, что ускоряет и упрощает процесс угловых измерений. Кодовые теодолиты выпускают различной точности, характеризуемой ошибкой измерения угла 1…5’’. Первым отечественным кодовым теодолитом является ТТ11, созданный на базе теодолита 2Т2.
Теодолит, особенно кодовый, является сложным и дорогостоящим прибором, требующим умелого и бережного обращения с ним. Поэтому до начала работы вновь осваеваемым теодолитом необходимо воспользоваться инструкцией, имеющейся у каждого экземпляра теодолита. Следует помнить, что все оптические, винтовые и другие части теодолитов после небрежного отношения и поломки в основном не восстанавливаются.
Измерение углов на местности с помощью компаса, по циферблату часов, биноклем со шкалой, с помощью линейки и глазомерное определение углов.
Умение правильного и быстрого измерения углов на местности, может понадобится в случае необходимости определения расстояний до недоступных предметов, измерении их длины, ширины или высоты. Например при определенииширины реки или другого препятствия, высоты дерева, в подсчете оставшегося пути до конечной цели. Как правило при этом используетсяформула тысячной.
Измерение углов на местности с помощью компаса, по циферблату часов, биноклем со шкалой, с помощью линейки и глазомерное определение углов.
Визирное приспособлениекомпаса предварительно совмещают с начальным штрихом лимба, а затем визируют по направлению левой стороны измеряемого угла и, не меняя положения компаса, против направления правой стороны угла снимают отсчет по лимбу. Это и будет величина измеряемого угла или его дополнение до 360 градусов (60-00), если подписи на лимбе идут против хода часовой стрелки.
Величину угла компасом можно определить более точно, измерив азимуты направлений сторон угла. Разность азимутов правой и левой сторон угла будет соответствовать величине угла. Если разность получится отрицательной, то необходимо прибавить 360 градусов (60-00). Средняя ошибка определения угла этим способом составляет 3-4 градуса.
Измерение углов на местности по циферблату часов.
Стрелочные часы держат перед собой горизонтально и поворачивают их так, чтобы штрих, соответствующий 12 часам на циферблате, совместился с направлением левой стороны угла. Не меняя положениячасов, замечают пересечение направления правой стороны угла с циферблатом и отсчитывают количество минут. Это и будет величина угла в больших делениях угломера. Например, отсчет 25 минут соответствует 25-00.
Измерение углов на местности биноклем со шкалой.
Крайний штрих шкалы в поле зрения бинокля совмещают с предметом, расположенным в направлении одной из сторон угла, и не меняя положениябинокля, подсчитывают число делений до предмета, расположенного в направлении другой стороны угла. Полученное число умножают на цену делений шкалы (обычно 0-05). Если шкала бинокля не захватывает полностью угол, то он измеряется по частям. Средняя ошибка измерения угла биноклем составляет 0-10.
Измерение углов на местности с помощью линейки.
Если линейку держать на расстоянии 50 см от глаз, то деление в 1 мм будет соответствовать 0-02. При удалении линейки от глаз на 60 см 1 мм соответствует 6 минутам, а 1 см — 1 градусу. Для измерения угла в тысячныхлинейку держат перед собой на расстоянии 50 см от глаз и подсчитывают число миллиметров между предметами, обозначающими направления сторон угла. Полученное число умножают на 0-02 и получают величину угла в тысячных.
Для измерения угла в градусах порядок действий тот же, только линейку необходимо держать на расстоянии 60 см от глаз. Точность измерения углов с помощью линейки зависит от умения выносить линейку точно на 50 или на 60 см от глаз.
Глазомерное определение углов на местности.
Глазомерное определение углов на местности заключается в сопоставлении измеряемого угла с известным. Углы определенной величины можно получить следующими способами. Прямой угол получается между направлением рук, одна из которых вытянута вдоль плеч, а другая — прямо перед собой. От составленного таким приемом угла можно отложить какую-то часть его, имея в виду, что 1/2 часть соответствует углу 7-50 (45 градусов), 1/3 — углу 5-00 (30 градусов) и т. д.
Угол 2-50 (15 градусов) получается путем визирования через большой и указательный пальцы, расставленные под углом 90 градусов и удаленные на 60 см от глаза, а угол 1-00 (6 градусов) соответствует углу визирования на три сомкнутых пальца: указательный, средний и безымянный.
По материалам книги Справочник по военной топографии.
А. М. Говорухин, А. М. Куприн, А. Н. Коваленко, М. В. Гамезо.