Нивелир и теодолит: что это такое и в чем разница между инструментами, как произвести точные измерения углов. Что такое теодолит и для чего он нужен

В современном строительстве важную роль играют геодезические работы. Выполнение их с должной точностью требует соответствующих приспособлений, главным образом, оптических приборов – теодолитов и нивелиров. Эти устройства могут использоваться для решения схожих задач, из-за чего их часто путают, однако заложенный в них функционал все же отличается. Остановимся подробнее на том, чем отличается теодолит от нивелира.

Отличие теодолита от нивелира

С помощью оптического нивелира можно проверить высотные отметки, а также установить превышение одной точки над другой. Для этих целей в паре с прибором используют специальную градуированную рейку. В дополнение к основным функциям у некоторых моделей имеется возможность измерить или отложить угол на месности.

Оптический нивелир

Одним из ключевых пунктов в том, чем отличается нивелир от теодолита, является устройство самих приборов. Конструкция нивелира предусматривает зрительную трубу и цилиндрический уровень. Внутри зрительной трубы находится зеркало, закрепленное с помощью торсионов и демпфирующих элементов. Некоторые модели, предназначенные для проведения высокоточных измерений, также могут оснащаться микрометрами и другими дополнительными приспособлениями.

Теодолиты предназначаются для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Собственно говоря, это и есть то, чем отличается теодолит от нивелира – наличие дополнительной оси измерений. К слову, подобные устройства используются далеко не только при проведении геодезических работ: их также применяют в метрологии, при расчете траектории ракет и в других сферах деятельности человека.

Конструкция механических теодолитов также известна достаточно давно. В современном варианте этот прибор представляет собой оптическую трубу, которая может двигаться по горизонтальной и вертикальной оси. После установки оптической трубы на исследуемый объект угол отклонения по каждой из осей может быть измерен с помощью встроенного микроскопа с достаточно высокой точностью, доходящей в лучших моделях до 0.1 угловой секунду.

Современный теодолит

На практике отличие теодолита от нивелира влияет и на спектр задач, которые можно решить с помощью этих приборов. В отличие от нивелира теодолит способен обеспечить, например, контроль вертикального отклонения стены.

Как вы уже поняли, то, чем отличается теодолит от нивелира, по большому счету сводится к наличию дополнительной оси. Конечно, это несколько усложняет общую конструкцию, однако вместе с этим появляются и дополнительные возможности, а с учетом достигнутого уровня развития современных приборов, дом вашей мечты может быть выстроен с филигранной точностью по всем направлениям.

Геодезические измерения на стройках выполняются нивелирами, теодолитами, стальными мерными лентами, рулетками.

Нивелир применяют для определения относительной высоты точек. Основные части нивелира - зрительная труба, через которую производят отсчеты по рейкам, и цилиндрический уровень, с помощью которого визирная ось зрительной трубы приводится в горизонтальное положение.

Существует два типа нивелиров: глухие и нивелиры с перекладывающейся трубой. Глухие нивелиры (261) удобны и надежны в эксплуатации, они получили наибольшее распространение на строительно-монтажных работах. Корпус трубы / и коробка 3 для цилиндрического уровня нивелира отлиты совместно и прикреплены к оси, вращающейся во втулке. Цилиндрический уровень имеет призменный блок, при помощи которого изображение пузырька уровня передается в поле зрения лупы 5, расположенной рядом с окуляром 4. Отсчеты по рейке производят при совмещении толщиной 20-25 мм. Деления на рейках нанесены белой, черной и красной краской. Односторонние рейки окрашиваются в белый и черный цвет; двусторонние - в белый и черный с одной, в белый и красный - с другой стороны. Величина делений на рейке (цена одного деления) -10 мм, причем каждые пять делений для удобства отсчета объединяются в группы в виде буквы Е. Так как трубы нивелиров дают обратное изображение, то числовые надписи на рейках сделаны перевернутыми, чтобы в трубе читалось их прямое изображение.

Произвести отсчет по рейке - значит определить расстояние от плоскости, на которую установлена подошва рейки, до уровня визирной оси нивелира. При чтении отсчета (262, в) прежде отсчитывают десятые доли делений (мм), а затем - дециметры и сантиметры по средней нити сетки зрительной трубы.

Для работы нивелир устанавливают на штативе и закрепляют становым винтом так, чтобы подъемные винты имели плавный ход. После установки нивелир при* водят в рабочее положение, сначала приближенно при помощи круглого уровня 6 (см. 261), а потом приступают к точной установке нивелира винтами 7 по цилиндрическому уровню. Нивелир можно считать установленным правильно, если при повороте трубы с уровнем 1 в любую сторону пузырек уровня не смещается. После этого можно производить нивелирование.

Теодолит (263) - оптический прибор для измерения вертикальных и горизонтальных углов.

Основные части теодолита-- лимб (горизонтальный круг) 2 и вертикальный круг 8, разделенные на градусы и доли градуса. С металлическим кожухом лимба жестко скреплена алидада (линейка, которая может поворачиваться вокруг оси, проходящей через центр лимба) с отсчетными приспособлениями - верньерами. Зрительная труба 5, жестко скрепленная с вертикальным кругом, опирается горизонтальной осью вращения на подставки 6, прикрепленные к алидаде. Труба имеет сетку дальномерных нитей.

Теодолит устанавливают на штативе, его вертикальную ось с помощью уровней приводят в отвесное (рабочее) положение, Лимб теодолита при этом занимает горизонтальное положение. Зрительную трубу направляют на точку наблюдения. С помощью отсчетных приспособлений по лимбу отсчитывают угол направления, а., по вертикальному кругу, прикрепленному к горизонтальной оси трубы, - угол наклона. ;.,". В горизонтальное положение теодолит устанавливают в основном такими же приемами, как и нивелир.

Теодолит и нивелир – современные геодезические приборы, созданные для выполнения важных измерительных операций в пространстве. Это требуется во многих сферах, к примеру в строительной. Каковы особенности каждого инструмента? И чем отличается теодолит от нивелира? Рассмотрим это.

Определение

Теодолит – прибор, специфика которого заключается в возможности проведения угловых замеров.

Теодолит

Нивелир – прибор, позволяющий выяснить, как соотносятся между собой по высоте различные точки пространства, или задать направление при определенных видах работ.

Сравнение

Прежде всего, следует подробней рассмотреть функциональные возможности двух измерительных устройств. Отличие теодолита от нивелира заключается в том, что первый из названных приборов более универсален. С помощью теодолита можно производить линейные и угловые замеры, причем в обеих плоскостях: горизонтальной и вертикальной.

К примеру, именно теодолит будет незаменим в случае, когда требуется определить, насколько стена здания отклонилась от вертикали. Специализация нивелира более узкая. С применением этого приспособления можно вычислять разность уровней или строить направляющие, которые помогают получать идеально ровные поверхности. Нивелир будет полезен, скажем, при укладке кирпича или заливке фундамента.

Возможности инструментов обусловлены особенностями их устройства. Все подробности оснащения зависят от конкретной модели теодолита или нивелира, а также от того, к какому типу относится прибор: является он оптическим, лазерным или цифровым. Но в целом теодолит устроен сложней. Он обладает добавочной осью измерений, которой нет у нивелира.

Для отсчета величин в теодолите предусмотрены два круга с разметкой (лимбы): по горизонтальному определяют угол направления, по вертикальному – угол наклона. Для наведения на исследуемые объекты в обоих приспособлениях используется оптическая труба. При работе с нивелиром также применяется отдельная рейка с делениями.

Следует добавить несколько слов о том, в чем разница между теодолитом и нивелиром относительно сферы их использования. Поскольку теодолит обладает более богатым функционалом, то спектр областей, где он необходим, шире. Это не только строительство, но и мелиорация, астрономия, а также иные направления деятельности, в которых важны точные расчеты. У нивелира, соответственно, сфера применения ограничена.

Статья о теодолите, описание геодезического прибора, характеристики теодолита и несколько приемов работы с теодолитом.

Измерять вертикальные и горизонтальные углы можно прибором теодолит, устройство которого состоит из таких элементов:

Горизонтального круга, который, в свою очередь, включает в себя два независимых круга - алидады - отсчетного устройства;

Лимба с делениями и зрительной трубы, одним своим концом зафиксированной с вертикальным кругом и способной вращаться вокруг вертикальной оси.

Применение и его особенности

В основном теодолит применяется в геодезии, строительстве, астрономии. И даже появление оборудования, позволяющего получать максимально точные результаты не позволяет специалистам отказаться от его использования. Помощь теодолита, позволяющего получить довольно точные результаты, незаменима при разметке профилей дорожного полотна, контуров строений, расстояний между объектами и пространственных углов между ними. Иногда теодолиты используются в лесном хозяйстве, мелиорации. Особая роль отводится прибору при проведении оценки состояния старых строений: он позволяет выявить возможную деформацию строения, а также влияние на данный разрушительный процесс как веса здания, так и природный явлений.

Теодолит - один из первых приборов, с которым строители, а до них и геодезисты, приходят на строительную площадку. На начальной стадии ведения работ и возведения фундамента, он используется для определения рельефа, оценки его наклона. Именно при помощи теодолита гарантируется строгая вертикаль высотных конструкций.

Теодолиты незаменимы для выполнения расчетов и различных измерений при строительстве туннелей, шахт, мостов и т.д. Современные устройства с лазерным лучом могут использоваться даже в условиях слабой освещенности, позволяют в более краткие сроки провести целый комплекс самых разных измерений с высокой точностью результата.

Устройство и его характеристики

Цилиндрический уровень и верньеры теодолита используются для приведения оси алидады в вертикальное положение, в тоже время лимб устанавливается в горизонтальное. Всего в приборе используются два вида винтов: закрепительные или зажимные, наводящие или микрометренные. И именно для соединения неподвижный частей теодолита с подвижными и используются закрепительные винты. А наводящие винты обеспечивают плавное вращение скрепленным им частям прибора.

В теодолитах используются чаще всего астрономические зрительные трубки, с помощью которых получают перевернутое (или обратное) изображение. В приборах нового поколения на место им иногда приходят трубки прямого изображения - земные. Зрительная трубка характеризуется следующими параметрами:

Полем зрения;

Разрешающей способностью;

Увеличением;

Относительной яркостью.

Как проводятся измерения с использованием теодолита

За положение плоскостей и осей прибора отвечают уровни: круглый - для обычной установки, а цилиндрический, в виде стеклянной трубки в форме бочкообразного сосуда внутри, служит для точной. Для цилиндрического уровня используется такая характеристика как пузырек. Для цилиндрических уровней нормой является пузырек размером в треть трубки, при условии температуры окружающей среды 20°C. Для измерения длины пузырька используется шкала, нанесенная на уровень, одно деление которой составляет 2 мм.

Ноль пункт или середина уровня, не указывается, но его легко найти по симметрично расположенным штрихам шкалы в обе стороны от центра. Ноль пункт служит и для определения оси уровня: касательная, которая проходит через него по длине уровня и служит для этого. Совпадение с ноль-пунктом середины пузырька показывает горизонтальное положение теодолита, а если пузырек смещается на деление, наклоняется и ось уровня на соответствующий угол, величина которого является ценой деления. Следовательно, более точным является тот прибор, у которого цена деления уровня меньше.

Для отсчетов служат микроскопы (шкаловой или штриховой), а также оптический микрометр, но до начала отсчета определяется цена деления лимба.

Классификация, основные моменты

Несмотря на то что устройство теодолита принципиально не отличается друг от друга, они вполне поддаются классификации. За основу классификации принимаются следующие параметры:

Точность;

Конструктивные особенности;

Способы отсчетов по лимбу;

Предназначение.

По первому параметру, например, теодолиты бывают высокоточные, точные и технические, а по своей конструкции - простыми и повторительными. Повторительные теодолиты отличаются от простых следующей особенностью: возможностью совместного и/или раздельного вращения. Такая конструкция позволяет измерять угол неоднократно, методом откладывания на лимбе нескольких его значений.

Кроме того, теодолиты бывают механическими и электронными. У первых используется оптический метод для проведения измерений, а у электронных устройств - лазер.

Так как теодолит является сложным техническим устройством это накладывает некоторые требования в уходе и подготовке к работе. До того, как приступить к измерениям, кроме общего осмотра состояния прибора в целом, необходимо проверить ампулы уровней и, особенно, его оптические поверхности. Далее проводится оценка качества вращения алидады, отсчетных, зажимных устройств, окуляров и, конечно, зрительной трубки.

Как и многие измерительные устройства или приборы, теодолиту необходимо регулярное проведение поверок, целью которых является соответствие в нем точного взаиморасположение всех осей.

Эксплуатация теодолита также имеет некоторые особенности и ограничения. Он не должен подвергаться влиянию прямых солнечных лучей или атмосферных осадков. При резкой смене температурного режима, рекомендуется некоторое время поддержать устройство в футляре с целью стабилизации температуры. Если прибор необходимо перенести на какое-то расстояние, то следует делать исключительно в вертикальном положении и предварительно следует проверить правильность и надежность его фиксации в футляре. Так как прибор требует периодической чистки, то эту работу следует выполнять после того, как освоены определенные знания и особенно навыки для этого. В ином случае - лучше доверить эту работу специалистам.

Некоторые приемы при работе с теодолитом

С помощью теодолита даже неспециалисту вполне возможно выполнить простые измерения, но выполнение сложных требует специальных знаний, а иногда и дополнительного оборудования для проведения исследований и получения максимально точных результатов.

Целью измерений, проводимых с помощью теодолита, является получение неизвестных данных высот или координат, а в качестве исходных данных для этого используются значения и данные об известных координатах и точках. Естественно, сначала прибор должен быть установлен в рабочее состояние на специальном штативе прямо над точкой, данные о которой известны. Далее выполняется так называемое центрирование устройства, заключающееся в том, чтобы устройство над точкой было установлено строго по горизонтали.

Следующий шаг - непосредственное выполнение измерений и получение результатов. Рекомендуется, для полного исключения ошибки, измерения и вычисления выполнять несколько раз и выводить среднеарифметическое значение.

В зависимости от стоящих задач, выбирается и способ съемки теодолитом: метод створов и перпендикуляров (является основным в строительстве, особенно на этапе планирования территории) и полярный.

Основные рабочие инструменты маркшейдера - измерительные приборы, к которым относятся, в первую очередь, нивелир, теодолит и тахеометр.
Все эти приборы предназначены для измерения углов и расстояний, иногда - для измерения азимута (угла между плоскостью меридиана Земли и направлением).
Функциональные и конструктивные особенности этих приборов могут отличаться - научно-технический прогресс наложил отпечаток и на совершенствование измерительной техники самого высокого уровня, однако принципы их работы и назначение изменились мало за прошедшие десятилетия и даже столетия.

Следует отметить, что по функциональным возможностям наиболее простым прибором является нивелир - он предназначен, в основном, для измерения вертикальных углов.
Следующим по сложности измерительным прибором геодезии и маркшейдерского дела является теодолит. Его функционал дополнен возможностью измерения и горизонтальных, и вертикальных углов.
Наиболее универсальным и функциональным прибором, вобравшим все возможности нивелира, теодолита и дальномера, является тахеометр. С помощью современных тахеометров можно измерять не только угловые, но и линейные величины, т. е. расстояние до объектов, что значительно упрощает съемки и расчеты. Если же тахеометр оборудован системой GPS и встроенным компьютером для обработки и хранения данных, то такой прибор является настоящей мечтой маркшейдера.

Нивелиры

Нивелир - прибор для геометрического определения разницы высот между опорными точками, которую называют превышением . Французское слово "niveau" буквально означает "уровень".

Нивелиры бывают оптико-механические и электронные (цифровые, лазерные).
Оптико-механический нивелир представляет собой прибор, состоящий из зрительной трубы, механизма поворота трубы и чувствительного уровня. Прибор, как правило, устанавливается на штатив. В конструкцию входит рейка и нитяной дальномер для определения расстояния по рейке.
Рейка нивелира представляет собой деревянную или металлическую линейку со шкалой, по которой считывается разность уровней опорных точек при помощи нивелира.
В современных оптико-механических нивелирах присутствует автоматический компенсатор для упрощения установки оси зрительной трубы в горизонтальное положение.

Цифровые нивелиры имеют встроенный процессор для автоматизации вычислений результатов измерений их запоминания, и оснащены специальной рейкой.

Лазерные нивелиры используют для измерений углов и уровней плоский лазерный луч, а также специальную измерительную рейку. При производстве мелкомасштабной съемки они применяются редко, поскольку приборы с оптикой дают более точные результаты.

По степени точности измерений нивелиры подразделяются на высокоточные, точные и технические. В высокоточных нивелирах отсчеты берутся по штриховой инварной рейке, в нивелирах меньшей степени точности - по шашечной рейке.

Теодолиты

Теодолит - измерительный прибор, основное назначение которого - определение направлений и измерение углов между направлениями с высокой степенью точности. Область применения теодолитов: топографические, геодезические, маркшейдерские съемки, строительство зданий, сооружений, дорог и т.д.

Основным измерительным элементами теодолитов являются лимбы - горизонтальные и вертикальные круглые шкалы. Наблюдение ведется через оптическую зрительную трубу, которая наводится на опорную точку при помощи наводящих и закрепительных винтов. Оптическая труба бывает прямого (наблюдатель видит изображение в нормальном положении) и обратного (наблюдатель видит перевернутое изображение) наблюдения.
Составляющие элементы конструкции оптического теодолита - цилиндрический уровень, отвес (механический или оптический - для точной установки прибора над или под опорной точкой). Для снятия отсчетов служит отсчётный микроскоп (микрометр). Кроме этого, некоторые теодолиты оснащены компенсаторами для облегчения горизонтального позиционирования.

Теодолиты подразделяются по степени точности (высокоточные, точные, технические), по назначению (полевые, горные), а также по принципу действия - оптические, фото -, кино -, гиротеодолиты и электронные теодолиты.

Горные теодолиты отличаются от обыкновенных полевых приборов более высокими требованиями к прочности и мобильности, а также защите от загрязнений и влаги, поскольку предназначены для использования в тяжелых условиях подземных выработок. Принципиально они устроены так же, как и аналогичные приборы для наружной съемки поверхности.

Фото- и кинотеодолиты объединяют в своей конструкции фото или кинокамеру с теодолитными измерительными элементами.
По сути это - высокоточная фото- или киносъемка объектов и местности. По степени точности эти теодолиты значительно уступают обычным оптическим приборам.

Гиротеодолит служит для ориентирования, измерения углов и определения направлений. Его принцип действия аналогичен принципу работы гирокомпасов, применяемых в современном мореходстве.
Основу гиротеодолита составляет угломерное устройство для считывания отсчетов положения чувствительного элемента гироскопа и определения азимута требуемого направления. Ось чувствительного элемента гироскопа совершает колебания строго по плоскости меридиана Земли, поэтому угол между направлением и меридианом (азимутом) можно определить с достаточно высокой степенью точности.
Гиротеодолиты нередко применяют в маркшейдерских съемках, при этом для перехода к дирекционному углу вводят поправки для сближения меридианов в проекции Гаусса-Крюгера.

Электронные теодолиты оснащены компьютером, позволяющим автоматизировать вычисления и запоминать результаты.

Тахеометры

Тахеометр - геодезический измерительный прибор для определения расстояний до объектов, а также для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Тахеометры применяются для определения координат и высот точек местности при топографической, геодезической и маркшейдерской съемке, при разбивочных работах и составлениях планов высот и координат опорных точек.
По сути, тахеометр - усовершенствованный теодолит, имеющий большую функциональность.

Тахеометры классифицируются по назначению (строительные, полевые), по принципу действия, а также по конструкции.
По принципу действия тахеометры подразделяют на оптические и электронные, которые в последние годы получают все более широкое распространение из-за обеспечения высокой точности и производительности измерительных работ.
Электронные тахеометры работают по принципу радара - они считывают разницу в фазах испускаемого и отраженного от опорной точки луча (фазовый метод), либо разницу по времени прохождения луча до отражателя и обратно (импульсный метод). Фазовый метод используется для измерения углов, а импульсный - расстояний.

По конструктивному исполнению тахеометры подразделяют на модульные, интегрированные и автоматизированные.
Модульные тахеометры состоят из отдельных модулей-элементов - определитель углов, дальномер, органы управления и обработки информации (клавиатура, процессор). Благодаря модульности, можно выбирать элементы тахеометра для решения конкретных задач, исключая излишнюю функциональность всего прибора в целом, что заметно сказывается на стоимости и мобильности тахеометра.

Интегрированные тахеометры отличаются от модульных тем, что все перечисленные выше модули объединены в одном приборе. Такие приборы применяются в том случае, когда необходимо полностью использовать функциональные возможности тахеометра.

Автоматизированные тахеометры несут элементы усовершенствования эксплуатации - сервопривод, системы распознавания, захвата, слежения и т.д. Такие тахеометры значительно облегчают работу, при проведении большого количества измерений на небольшом участке или секторе, а также при мониторинге сдвига или деформации (функция слежения).

Тахеометры, изготавливаемые в Росси - Та2, Та5, Та20 (цифра в модели соответствует величине погрешности прибора в угловых секундах)

Точность измерений, полученных при использовании современных теодолитов, нивелиров и тахеометров очень высока. Так, при использовании прибора на расстоянии до опорной точки 1000 м, получаемая погрешность угловых измерений составляет до полсекунды, линейных - до 1 мм (при импульсных лазерных измерениях).

В последние годы приборы для съемок поверхности Земли стали оснащать глобальными системами позиционирования GPS (спутниковой системой навигации), позволяющей определить местоположение объекта съемки в трехмерных координатах с достаточной степенью точности.
Система GPS при геодезических и маркшейдерских съемках используется лишь для удобства проведения грубых прикидок и ориентирования, поскольку на современном уровне развития не может обеспечить требуемой точности. Однако, последние разработки в этом направлении направлены на то, чтобы обеспечить геодезистов инструментом достаточно высокого уровня точности.
Примечательно, что не только специалисты-землемеры могут сполна оценить преимущества современных технологий - портативные GPS-навигаторы для путешественников, туристов, охотников и других любителей побывать в лесу или в незнакомых местах, способны показать своему владельцу его местоположение (в географических координатах) с точностью до 2-3 метров. Вполне возможно, что пройдет еще несколько лет, и человечество забудет слово "заблудиться".