Teodolit – co to jest i do czego służy?

W geodezyjnych pomiarach terenowych do najczęstszych obserwacji, obok różnic wysokości i odległości, należą pomiary kątów poziomych oraz pionowych. Do pomiaru kątów poziomych i pionowych stosuje się instrument geodezyjny zwany teodolitem.

Zobacz naszą nowoczesną Mapę Geoportal360

Dzięki możliwościom pomiarowym kątów, teodolit jako instrument geodezyjny, znalazł zastosowanie w budownictwie m.in. do:

• tyczenia prostych,
• tyczenia pod zadanym kątem,
• przenoszenia wysokości,
• pionowania.

W praktyce, zastosowanie teodolitu sprowadza się do wyznaczania obrysów budynków, wytyczania krawężników i ogrodzeń, przenoszenia osi w dół do wykopu lub w górę na kolejne kondygnacje, wyznaczania poziomu sufitów, pionowania słupów i innych podpór, ustawiania w linii elementów konstrukcji, szalunków, elewacji i wielu innych.

Oczywiście, poza wymienionymi, możliwości pomiaru teodolitem są znacznie szersze, a jego zastosowanie na budowie może w niektórych sytuacjach okazać się bezcenne.

Co to jest teodolit i do czego służy?

Teodolit to instrument geodezyjny służący do pomiaru kątów poziomych oraz pionowych. Odczytu pomiaru tych kątów dokonuje się na szklanych kołach (bądź metalowych) z podziałem stopniowym (360 stopni) lub gradowym (400 gradów).

Znając wartości kątów poziomych, pod jakimi przecinają się osie ciągów komunikacyjnych, można łatwo sprawdzić wzajemne prostopadłości obrysów ścian w budynkach jeszcze przed rozpoczęciem wykopów. Kąty pionowe służą zazwyczaj do określania wysokości obiektów z zależności trygonometrycznych w trójkątach.

Teodolit, jako instrument geodezyjny, znalazł zastosowanie szczególnie w budownictwie. Prace pomiarowe przy użyciu teodolitu odbywają się na placu budowy zarówno na etapie wykonawczym, jak i podczas kontrolowania zrealizowanych już robót.

Obsługa teodolitu nie jest skomplikowana, a umiejętność posługiwania się tym instrumentem może przynieść tylko same korzyści.

Osoby, które zamierzają zakupić teodolit powinny w szczególności zwrócić uwagę na takie parametry tego instrumentu jak:

• dokładność pomiarów wybranego egzemplarza,
• dane obiektywu,
• możliwości powiększenia,
• pole widzenia oraz
• zakres ogniskowania.

Komfort pracy z teodolitem zapewnia rodzaj zastosowanego kompensatora i zakres jego pracy, możliwość korzystania z pionownika optycznego oraz wymiary i długość pracy na baterii.

Rodzaje teodolitów

Teodolit jest przyrządem, którego zasada budowy pozostaje od lat niezmienna, jednak sam przyrząd podlega ciągłym udoskonaleniom, których zadaniem jest usprawnienie usługi i osiąganie coraz to dokładniejszych pomiarów kątowych.

Wyróżnia się dwa rodzaje teodolitów, tj. teodolity optyczne oraz teodolity elektroniczne.

Teodolity optyczne

Teodolity optyczne charakteryzują się prostą i mało skomplikowaną budową. Do swej pracy nie potrzebują żadnego zasilania, co sprawia, że mogą być używane np. na placu budowy bez konieczności ładowania (np. akumulatorowego) i w każdej sytuacji.

Dla celów pomiarowych teodolit wyposażony jest w limbus, czyli szklane bądź metalowe koło, na którym naniesione są kąty wyrażone w gradach (do 400 gradów) bądź w stopniach (do 360 stopni). Użytkownik teodolitu optycznego dokonuje odczytu w dwóch kierunkach.

Niezbędnym przyrządem do wykonywania pomiarów teodolitem optycznym jest łata pomiarowa.

Z tego też względu do pracy z teodolitem optycznym, oprócz operatora instrumentu, konieczne jest zatrudnienie osoby do ustawiania i przenoszenia łaty pomiarowej w obszarze pomiaru.

Teodolity elektroniczne

W teodolitach elektronicznych tradycyjny analogowy limbus z kreskami podziału i opisem cyfrowym został zastąpiony tarczą kodową sprzężoną z alidadą. Do odczytywania wartości kierunków na tarczy kodowej służą przetworniki (czytniki) połączone z nieruchomą spodarką teodolitu.

W odróżnieniu od teodolitów optycznych, efekt pracy teodolitem elektronicznym – odczyt kierunku, jest wykonywany automatycznie, a wyniki pomiarów są rejestrowane w nośnikach pamięci, a następnie komputerowo przetwarzane w dalszych fazach zautomatyzowanego procesu technologicznego.

Dzięki automatycznym pomiarom i równie szybkiemu otrzymywaniu wyników pomiarów (bez konieczności ich przeliczania), praca teodolitem elektronicznym jest szybsza oraz bardziej efektywna.

Niewątpliwą zaletą teodolitów elektronicznych jest możliwość zmiany jednostki pomiarowej kątów poziomych (stopnie lub grady) oraz pionowych (stopnie, grady lub procenty).

Obecnie używane teodolity elektroniczne występują w kilku konfiguracjach.

Dostępne na rynku geodezyjnym instrumenty – teodolity wyświetlają plamkę lasera, co sprawia, że celowanie jest szybsze i nie wymusza celowania prze okular lunety. Plamka może być również pomocna przy ustawianiu i poziomowaniu elementów konstrukcyjnych, tyczeniu szalunków czy wyznaczaniu spadków.

Przy zastosowaniu specjalnej łaty pomiarowej i wykorzystaniu warunków geometrycznych układu optycznego teodolitu, możliwy jest również pomiar odległości.

Teodolity elektroniczne są wykorzystywane przy pracach budowlanych i geodezyjnych, pomiarach kątów, wyznaczaniu i określaniu spadków, pochyleń, a także wszelkich pracach związanych z określeniem kierunków i linii prostych.

Niestety, z uwagi na wysoka cenę, teodolity elektroniczne nie są tak powszechnie używane jak instrumenty optyczne, zwłaszcza dla celów dydaktycznych. Ponadto w posiadaniu szkół technicznych czy osób prywatnych jest jeszcze wiele teodolitów optycznych, które spełniają swoją rolę.

Przeczytaj: Tachimetr – co to jest i do czego służy?

Jak zbudowany jest teodolit?

Teodolit optyczny, jak i elektroniczny, mają podobnie działające części podstawowe, które tworzą zespoły modułowe.

Do podstawowych zespołów modułowych zaliczane są: spodarka, limbus i alidada z lunetą. Wszystkie wymienione części są połączone ze sobą, a łączenia nazywane są osiami geometrycznymi.

Poniżej przedstawiamy schemat podstawowych elementów i osi geometrycznych teodolitu według A. Jagielskiego („Geodezja I”, Wyd. GEODPIS, Kraków 2013 r.). Główne osie geometryczne biegnące między modułami to:

• oś obrotu instrumentu – v – przebiegająca pionowo przez instrument (oś ta podczas pomiaru kątów powinna być pionowa),
• oś obrotu lunety – h – podczas pomiaru kątów powinna być pozioma,
• os celowa lunety – c,
• oś główna rurkowej libelli alidadowej – l.

Do szczegółowych elementów teodolitu należą (A. Jagielski, „Geodezja I”, Wyd. GEODPIS, Kraków 2013 r.):

1. Śruba ustawcza spodarki.
2. Libella pudełkowa.
3. Libella alidadowa rurkowa.
4. Okular pionu optycznego.
5. Leniwka ruchu limbusa.
6. Sprzęg limbusa.
7. Sprzęg alidady.
8. Leniwka ruchu alidady.
9. Sprzęg lunety.
10. Leniwka ruchu lunety.
11. Libella kolimacyjna.
12. Lusterko libelli kolimacyjnej.
13. Śruba elewacyjna.
14. Lusterko podświetlające.
15. Okular lunety.
16. Śruba ogniskująca.
17. Śruba regulacji oświetlenia.
18. Urządzenie celownicze – służy do wycelowania na wybrany cel.
19. Obiektyw lunety.
20. Okular mikroskopu optycznego.
21. Śruba mikrometryczna.
22. Śruba mocująca spodarki.

Każda z wymienionych części teodolitu spełnia swoją funkcję, i tak za prawidłowe zainstalowanie teodolitu na statywie oraz spoziomowanie i centrowanie tego instrumentu odpowiada spodarka i śruby łączące alidadę ze spodarką oraz śruby poziomujące.

Do przybliżonego spoziomowania teodolitu służy libella pudełkowa, a do dokładnego spoziomowania tego instrumentu przeznaczona jest libella rurkowa.

Ważną częścią teodolitu jest limbus, czyli koło poziome wykonane z metalu bądź szkła z naniesioną podziałką kątową, na której kąty wyrażone są w gradach (do 400 gradów) bądź stopniach (do 360 stopni). Podczas pomiaru, środek limbusa powinien znajdować się na prostej pionowej przechodzącej przez centr znaku stabilizującego wierzchołek mierzonego kąta.

Aby teodolit mógł znajdować się bezpośrednio nad punktem stanowiska, instrument musi być zaopatrzony w pion niezbędny do centrowania, limbusa.

Głównym elementem teodolitu jest alidada, która jest częścią obracalną instrumentu. Alidada wyposażona jest w urządzenie celownicze – lunetę służącą do celowania na punkt oraz system odczytowy wskazujący wartości kierunków na podziale nieruchomego limbusa.

Oś obrotu alidady przechodzi przez środek limbusa i pokrywa się z osią instrumentu, stanowiącą krawędź przecięcia się płaszczyzn kolimacyjnych (płaszczyzn celowych).

Limbus oraz alidada mają wspólną nieruchomą podstawę zwaną spodarką, która łączy przyrząd ze statywem. Spodarka zaopatrzona jest w śruby poziomujące.

W elektronicznych instrumentach – teodolitach, limbus jest elementem elektronicznym, dzięki czemu wartości kątowe są przeliczane automatyczne.

Jak działa teodolit? Przygotowanie teodolitu do pracy

Warunkiem prawidłowego wykonania pomiaru (nieobarczonego błędem) jest odpowiednie scentrowanie i wypoziomowanie instrumentu. Przed wykonaniem scentrowania i wypoziomowania teodolitu należy wykonać wstępne czynności na stanowisku, do których należą:

• skompletowanie i sprawdzenie instrumentu,
• dotarcie do miejsca pomiaru danego kąta poziomego i znalezienie punktu wyznaczającego położenie wierzchołka kąta,
• odszukanie i zasygnalizowanie znaku utrwalającego kierunki ramion kąta,
• w przypadku wykorzystania tyczek jako sygnałów należy zwrócić uwagę na ich centryczność i pionowość oraz sprawdzić dolną część tyczek ze stanowiska obserwacji.

Do pionowania tyczek można użyć zwykłych pionów lub libelli okrągłych.

Centrowanie teodolitu

Po wykonaniu wszystkich czynności przygotowawczych można przystąpić do centrowania i poziomowania teodolitu. Aby scentrować instrument należy ustawić statyw centrycznie nad punktem z zachowaniem poziomu głowicy statywu. Następnie należy połączyć teodolit z głowicą statywu za pomocą śruby sercowej. Po czym, unosząc lekko dwie nogi statywu i obserwując przez pion optyczny znaczek centrujący, należy naprowadzić centr znaczka na punkt zachowując przy tym poziom głowicy statywu. Czynność ta umożliwia opuszczenie podniesionych nóg statywu na ziemię tak, aby znaczek centrujący cały czas zajmował centryczne położenie względem naszego punktu.

Po wbiciu wszystkich 3 nóg statywu w ziemię należy sprawdzić położenie znaczka centrującego (w pionie optycznym). W przypadku niewielkich odchyleń znaczka centrującego względem punktu należy
skorygować ten błąd operując śrubami poziomującymi. Przy znacznym wychyleniu znaczka należy czynność centrowania powtórzyć.

Poziomowanie teodolitu

Czynność poziomowania teodolitu wykonuje się podobnie jak centrowanie, za pomocą libelli okrągłej podnosząc i opuszczając na przemian dwie nogi statywu.

Dokładne poziomowanie teodolitu wykonuje się za pomocą libelli rurkowej, którą należy ustawić równolegle do 2 śrub poziomujących i kręcąc nimi równocześnie w przeciwnych kierunkach doprowadzić pęcherzyk (powietrza) do górowania. Następnie należy obrócić alidadę o 900 i trzecią śrubą doprowadzić pęcherzyk do górowania. Po tej czynności należy wrócić do położenia pierwotnego, a ewentualne wychylenie pęcherzyka skorygować dwoma śrubami poziomującymi. Po czym należy zwolnić śrubę sercową i przesunąć teodolit po głowicy statywu (patrząc przez pion optyczny) tak, aby znaczek centrujący znalazł się dokładnie nad punktem.

Instrument jest prawidłowo spoziomowany, gdy pęcherzyk libelli znajduje się centrycznie i nie doznaje wychyleń przy dowolnym skręceniu alidady.

Przygotowanie do pracy teodolitu elektronicznego

W przypadku, gdy prace pomiarowe wykonywane są teodolitem elektronicznym, również przed przystąpieniem do pracy tego typu sprzętem należy pamiętać o precyzyjnym spoziomowaniu i ustawieniu teodolitu nad punktem.

Czynności te wykonywane są przy użyciu libelli pudełkowej, a szybkie ustawienie instrumentu nad punktem jest możliwe dzięki pionownikowi laserowemu.

W przypadku konieczności pracy na niestabilnym podłożu, sprzęt elektroniczny jest utrzymywany we właściwej pozycji dzięki precyzyjnemu kompensatorowi.

Po scentrowaniu i spoziomowaniu teodolitu należy jeszcze dokonać regulacji lunety i mikroskopu. Regulacja lunety polega na jej wycelowaniu na jasne tło. Może to być ściana budynku czy arkusz papieru bądź rozproszone światło nieba.

Wyraźny obraz krzyża kresek w lunecie uzyskuje się przez wykręcenie znajdującej się na końcu lunety oprawy, aż do uzyskania mętnego obrazu i ponowne jej wkręcenie, aż do chwili uzyskania pierwszej wyraźnej ostrości.

Oprócz regulacji lunety należy także dokonać regulacji mikroskopu odczytowego. Regulacja mikroskopu umożliwia uzyskanie dobrego oświetlenia podziału kręgu oraz ustawienie limbusa i skali lub mikrometru za pomocą pierścienia okularowej soczewki ocznej mikroskopu.

Niezależnie od zaufania do producenta teodolitów oraz od modelu instrumentu, jakim dysponujemy, wskazane jest przeprowadzanie okresowego przeglądu każdego instrumentu, a w razie potrzeby przeprowadzanie ograniczonej rektyfikacji.

Przeczytaj również: Podstawowy sprzęt geodezyjny – przegląd

Źródło: Andrzej Jagielski, „Geodezja I”, Wyd. GEODPIS, Kraków 2013 r.

Zdjęcie: Unsplash.com