Systemy odczytowe

Systemy odczytowe

Pierwsze konstrukcje instrumentów kątomierczych
posiadały kręgi podziałowe wykonane z metali
nierdzewnych. Systemy odczytowe umieszczone były
na zewnątrz alidady. Takie położenie systemu
odczytowego narażało go na wpływ warunków
atmosferycznych oraz wszelkiego rodzaju zabrudzenia
i zwiększało możliwości uszkodzenia w trakcie prac
pomiarowych.

Z

pojawieniem

się

teodolitów

optycznych nastał nowy okres rozwoju instrumentów
geodezyjnych.
Teodolit optyczny charakteryzuje się kręgami
podziałowymi wykonanymi ze szkła oraz optycznymi
systemami odczytowymi. Cały system odczytowy
znajduje się wewnątrz alidady i jest skutecznie
chroniony przed wpływem warunków zewnętrznych.
W chwili obecnej pojawiły się teodolity elektroniczne
o kodowych lub impulsowych systemach odczytowych.
Zajmiemy się systemami odczytowymi teodolitów
optycznych i elektronicznych

Systemy odczytowe

Teodolity optyczne

Systemy odczytowe teodolitów można podzielić na dwie
zasadnicze grupy:
-     jednomiejscowe systemy odczytowe,
-    dwumiejscowe systemy odczytowe.
W systemie

jednomiejscowym

obraz kręgu pobierany jest w

jednym miejscu. Promień świetlny przebija szklany krąg (lub
odbija się od kręgu lustrzanego) i zabiera jego obraz do
urządzenia odczytowego. Jednomiejscowe systemy odczytowe
występują

w

teodolitach

o

niższych

parametrach

dokładnościowych. W systemach

dwumiejscowych

promień

świetlny przebija krąg (lub jest odbity) w dwóch diametralnych
miejscach. Obrazy obu fragmentów kręgu są przesyłane do
urządzenia odczytowego. Dwumiejscowe systemy odczytowe
spotykamy w teodolitach precyzyjnych. Wartość pomierzonego
kierunku jest wyśrednioną wartością z dwu diametralnych
miejsc kręgu pozbawioną błędu mimośrodowego położenia
kręgu i alidady.

Systemy odczytowe

W

teodolitach optycznych

systemy

odczytowe z uwagi na rodzaj urządzenia
odczytowego możemy podzielić na:
- mikroskop szacunkowy (wskaźnik),
- mikroskop noniuszowy,
- mikroskop skalowy,
- mikroskop ze śrubą mikrometryczną,
mikrometr optyczny z płytką płasko-
równoległą,
- mikrometr optyczny z dwoma parami
klinów
optycznych,
- mikrometr optyczny z dwiema
płytkami płasko-
równoległymi.

Systemy odczytowe

Istnieje jeszcze inny podział systemów odczytowych na:

• systemy analogowe,

• systemy cyfrowe,

• systemy analogowo-cyfrowe.

W systemie analogowym wartość reprezentowana jest przez
wielkość fizyczną np. długość. Po wyskalowanym odcinku
(podzielni) reprezentującym wielkość przesuwa się wskaźnik.
Z położenia wskaźnika na skali odczytujemy wartość
opisywanego zjawiska. Typowym przykładem analogowego
systemu odczytowego jest mikroskop skalowy
Systemy cyfrowe w teodolitach optycznych nie występują.
Instrumentami posiadającymi cyfrowe systemy odczytowe są
teodolity elektroniczne. Wartość mierzonego kierunku lub
kąta wyświetlana jest w postaci cyfrowej na urządzeniu
wyjściowym teodolitu.
W nowszych optycznych teodolitach precyzyjnych występują
systemy odczytowe analogowo-cyfrowe. Część wartości
pomierzonej wielkości otrzymujemy bezpośrednio w postaci
cyfrowej, a część odczytujemy z porównania dwu wielkości
(analogowo).

Systemy odczytowe

System jednomiejscowy

System

dwumiejscowy

Schemat systemu
jednomiejscowego

Systemy odczytowe

Na rys przedstawiono schemat jednomiejscowego systemu
odczytowego. Schemat przedstawia system odczytowy dla obu
kręgów, poziomego i pionowego. Prześledźmy bieg promienia
dla uzyskania odczytu kręgu poziomego H

z

. Promień

oświetlający system odczytowy biegnie od lusterka L do
pryzmatu trójkątnego i załamuje się o 90. Dalej przechodzi

przez kondensor i pada na pryzmat dachowy. Następuje tu
równoległe przesunięcie promienia i zmiana jego biegu o 180.

Przebija w punkcie A krąg pionowy i przenosząc obraz kręgu
wpada do obiektywu systemu odczytowego O

Hz

. Obiektyw O

Hz

składa się z dwu soczewek zaznaczonych na schemacie
symbolami p i r. Po wyjściu z obiektywu promień zostaje
załamany w pryzmacie trójkątnym i rzutuje obraz kręgu na
skalę S. Dalej niosąc obraz fragmentu kręgu i obraz skali
przechodzi przez pryzmat pentagonalny i zostaje skierowany
do okularu systemu odczytowego Ok

SO

. Podobną drogę

przebiega promień świetlny oświetlający system odczytowy
kręgu pionowego. Oba systemy mają oddzielne obiektywy i
systemy pryzmatów wyznaczających drogę promienia. Odczyt
wartości na obu kręgach odbywa się w okularze systemu
odczytowego.

Systemy odczytowe

Oba systemy odczytowe, dla kręgów poziomego i
pionowego, możemy traktować jak mikroskop o
budowie łamanej. Podobnie jak w mikroskopie obraz
przedmiotu (kręgu) musi być odwzorowywany przez
obiektyw na siatkę kresek (skala). Obraz tworzony na
skali i skala są obserwowane za pomocą okularu.
Ponieważ odległość przedmiotu od obiektywu jest
stała, soczewka ogniskująca jest zbędna.
W

opisanym

układzie

optycznym

systemu

odczytowego mogą wystąpić następujące błędy:

• błąd paralaksy systemu odczytowego,

• błąd run,

• nierównoległość obrazu kresek kręgu do
obrazu kresek skali,

• różna ostrość obrazu kresek kręgu.

Systemy odczytowe

Błąd paralaksy systemu odczytowego występuje
wówczas gdy obrazy kręgu podziałowego i skali
oglądane przez okular systemu odczytowego nie są
jednocześnie ostre. Powodem występowania błędu
jest nie powstawanie ostrego obrazu kręgu w
płaszczyźnie skali. W trakcie regulowania ostrości
obrazu soczewką okularową przy ustawionej
ostrości obrazu skali, obraz kręgu będzie zamazany.
Usuwanie tego błędu polega na przesunięciu
soczewki p w obiektywie systemu odczytowego, w
takie położenie aby obraz kręgu powstawał w
płaszczyźnie skali. W tym celu należy poluzować
wkręt mocujący soczewkę p i przesuwać ją w
płaszczyźnie pionowej aż do uzyskania pożądanego
rezultatu. Następnie dokręcamy poluzowany wkręt
mocując soczewkę do tubusa obiektywu. Sposób
usuwania błędu paralaksy systemu odczytowego
dla kręgu poziomego i pionowego jest analogiczny.

Systemy odczytowe

Błąd run
Błąd ten występuje wtedy gdy wielkość obrazu jednej
działki kręgu nie pokrywa się z wielkością obrazu skali,
czyli wielkości obrazów dwóch równych, porównywanych
wartości są różne. W celu sprawdzenia tego warunku
należy pokryć jedną kreskę podziału kręgu z początkiem
skali. Druga kreska podziału powinna pokryć się z końcem
skali.
Usunięcie tego błędu polega na dostosowaniu powiększenia
obrazu kręgu podziałowego do wielkości obrazu skali.
Należy poluzować wkręt mocujący soczewkę r w obiektywie
systemu odczytowego i przesuwać ją w kierunku pionowym
do uzyskania pożądanego efektu. Dokręcamy poluzowany
wkręt mocując soczewkę w nowym położeniu. Obie
soczewki p i r znajdują się w jednym układzie optycznym i
ich wzajemne położenie decyduje o jakości emitowanego
obrazu kręgu. Usuwając jeden z błędów możemy
powodować powstanie drugiego. Dlatego po usunięciu
błędu run należy sprawdzić ponownie błąd paralaksy.
Usuwając jeden błąd należy sprawdzać i ewentualnie
usuwać drugi, aż do całkowitego ich wyeliminowania.

Systemy odczytowe

Błąd nierównoległości obrazu kresek kręgu
podziałowego do kresek skali.

Powodem występowania tego błędu jest skręcenie obiektywu
systemu odczytowego lub ewentualnie skręcenie pryzmatu
łamiącego między obiektywem a skalą.
Aby usunąć błąd należy poluzować wkręty mocujące
obiektyw lub pryzmat. Następnie poprawiany element należy
ustawić w pozycji w której błąd nie występuje i umocować go
dokręcając wkręty. Z błędem nierównoległości obrazów
kresek limbusa i skali związany jest błąd dotyczący różnej
ostrości kresek limbusa (przyczyny powstawania obu błędów
takie same). Po usunięcie błędu nierównoległości ustają
przyczyny występowania błędu różnej ostrości kresek
limbusa. Przedstawiony powyżej sposób postępowania
dotyczy jednomiejscowych systemów odczytowych opartych
na mikroskopie skalowym. W najczęściej występujących w
Polsce teodolitach średniej dokładności zastosowana jest taka
właśnie budowa systemu odczytowego (Theo 020, Dahlta
010A i B, T6 i TA6). Rektyfikację systemu odczytowego należy
wykonywać w warunkach laboratoryjnych

Systemy odczytowe

Z błędem nierównoległości obrazów kresek limbusa
i skali związany jest błąd dotyczący różnej
ostrości kresek limbusa (przyczyny powstawania
obu błędów takie same). Po usunięcie błędu
nierównoległości ustają przyczyny występowania
błędu różnej ostrości kresek limbusa.

Przedstawiony

powyżej

sposób

postępowania

dotyczy jednomiejscowych systemów odczytowych
opartych na mikroskopie skalowym.
W najczęściej występujących w Polsce teodolitach
średniej dokładności zastosowana jest taka właśnie
budowa systemu odczytowego (Theo 020, Dahlta
010A i B, T6 i TA6). Rektyfikację systemu
odczytowego należy wykonywać w warunkach
laboratoryjnych

Systemy odczytowe

Mikroskop skalowy

W polu widzenia okularu systemu odczytowego, znajduje się

podział kręgu na tle skali, umieszczonej na płytce
ogniskującej mikroskopu. Skala jest pomocniczą podziałką o
długości równej długości działki limbusa. Odczyt składa się z
sumy dwóch wielkości. Pierwsza wielkość to wartość kreski
podziału kręgu znajdującej się na tle skali. Druga wielkość to
odczyt na skali, położenia kreski podziału kręgu. Położenie
kreski szacuje się przeważnie z dokładnością 0.1 działki skali.
Jeżeli L jest wartością działki kręgu, n ilością części podziału
skali, to dokładność odczytu wyniesie

n

10

L

a 

W urządzeniu odczytowym jakim jest

mikroskop

skalowy,

mogą

wystąpić

błędy

paralaksy, run, oraz nierównoległości obrazu
kresek skali do obrazu kresek podziału kręgu.
Występowanie błędu run można sprawdzić
następująco:
-  doprowadzić do pokrycia się kreski podziału
kręgu z kreską zerową skali,
-  sprawdzić czy ostatnia kreska skali pokrywa
się z następną kreską podziału kręgu.
Niedobór lub nadmiar długości skali do działki
kręgu świadczy o występowaniu błędu run.

Mikroskop szacunkowy

Jest to najprostsze urządzenie odczytowe ze stosowanych w
instrumentach geodezyjnych. Stosowany jest w tzw.
teodolitach minutowych (np. Theo 120 Zeiss) oraz w
niwelatorach z kołem poziomym. Na płytce ogniskowej
mikroskopu naniesiona jest kreska indeksowa, widoczna w
okularze systemu odczytowego na tle obrazu podziału kręgu.
Odczyt dokonywany jest poprzez szacowanie położenia
indeksu na rysunku podziałki limbusa z dokładnością 0.1
najmniejszej działki limbusa. Na rys. pokazano obraz widziany
w okularze mikroskopu szacunkowego. W literaturze tego
rodzaju urządzenia nazywane są także mikroskopami
wskaźnikowymi

lub

kreskowymi.

W

mikroskopie

szacunkowym z błędów spotykanych w jednomiejscowym
systemie odczytowym mogą wystąpić, błąd paralaksy między
obrazem

podziału

kręgu

a

obrazem

indeksu

oraz

nierównoległość kresek podziału kręgu do kreski indeksowej.
Sposób usuwania tych błędów podano wyżej.

Systemy odczytowe

Dwumiejscowy system odczytowy
Jak już wspomniano, dwumiejscowe systemy odczytowe
stosuje się w teodolitach wyższej dokładności. Przedstawiony
schemat budowy dwumiejscowego systemu odczytowego
dotyczy systemu z mikrometrem z dwoma parami klinów
optycznych. Na schemacie przedstawiono bieg promieni w
systemie odczytowym kręgu poziomego i pionowego. Promień
biegnący od lusterka L jest załamany o 90 na pryzmacie

trójkątnym i biegnie przez kondensor do pryzmatu
dachowego. Z pryzmatu promień wychodzi w kierunku kręgu
poziomego i przebija go w punkcie A. Dalej promień, niosąc
obraz kręgu w punkcie A, przechodzi przez pryzmaty i złożony
system optyczny S

Hz

, biegnie do kręgu i przebija go w drugim

punkcie B. Oba obrazy kręgu, z punktów A i diametralnie
położonego B, zostają przekazane do obiektywu kręgu
poziomego O

Hz

. Z obiektywu O

Hz

promień kierowany jest do

ruchomego pryzmatu R. Podobną drogę odbywa promień w
systemie odczytowym kręgu pionowego. Przechodząc przez
pryzmaty i złożony system optyczny S

V

, przebija w dwóch

diametralnie położonych punktach A i B krąg pionowy i
dochodzi do obiektywu koła pionowego

O

V

. Dalej

przekazywany jest do pryzmatu ruchomego R.

Systemy odczytowe

W tego typu urządzeniach odczytowych montowany
jest jeden mikrometr, obsługujący koło poziome i
pionowe. W zależności od położenia pryzmatu W na
mikrometr

przekazywany

jest

obraz

kręgu

poziomego lub pionowego. Położeniem pryzmatu
reguluje obserwator, pokrętłem wmontowanym w
kolumnę teodolitu, w zależności od wykonywanych
obserwacji.
W wyżej opisanym systemie odczytowym mogą
wystąpić następujące błędy:
     paralaksy obrazów podziału kręgu w punkcie A i

B,
     paralaksy obrazu podziału kręgu (w pkt. A i B) a

obrazem
mikrometru,
     run pomiędzy obrazami podziału kręgu w

punktach A i B,
   run pomiędzy obrazem podziału kręgu (w pkt. A

i B),
a mikrometrem.

Schemat systemu
dwumiejscowego

Systemy odczytowe

Błędy paralaksy systemu odczytowego
Jak wyżej wspomniano w dwumiejscowym systemie
odczytowy mogą wystąpić dwa rodzaje błędów paralaksy,
pomiędzy obrazami diametralnych części kręgu lub
obrazem podziałów kręgu a obrazem mikrometru.
Wyjaśnijmy

przyczynę

powstawania

pierwszego

z

wymienionych. Obraz podziału kręgu w punkcie A po
przejściu przez złożony układ S powinien ostro odwzorować
się w płaszczyźnie podziału w punkcie B. Obrazy kresek
obu podziałów powinny być jednakowo ostre. W przypadku
braku jednakowej ostrości mamy do czynienia z błędem
paralaksy. Usuwamy go za pomocą bliższej punktu A
soczewki złożonego układu S. Soczewkę po zluzowaniu
mocowania przesuwamy w płaszczyźnie poziomej do
uzyskania zadowalającego efektu.
W drugim przypadku obraz obu części podziału kręgu
powinien być ostro odwzorowany przez obiektyw systemu
odczytowego w płaszczyźnie skali S. Błąd ten usuwamy
soczewką p obiektywu O, postępując podobnie jak w
systemie jednomiejscowym.

Systemy odczytowe

Błędy run systemu odczytowego
Błędy run wystąpią jeżeli:
a) wielkość obrazu działek podziału kręgu w punkcie A nie
będzie równa wielkości obrazu działek w punkcie B,
b) wielkość pełnego zakresu skali mikrometru nie
odpowiada połowie wielkości obrazu podziału kręgu.
Błąd wymieniony w pkt. a wykrywamy poprzez pokręcanie
mikrometrem i doprowadzenie do koincydencji obrazu
pierwszej od lewej kreski podziału A z odpowiadającą mu
kreską podziału B. Wtedy pozostałe kreski obu podziałów
powinny także znaleźć się w koincydencji. W przypadku
wystąpienia błędu run odstęp między nieskoincydowanymi
kreskami równomiernie się zwiększa w kierunku od lewej do
prawej strony podziału A. Błąd ten usuwamy soczewką
złożonego układu optycznego S położoną dalej od punktu
przebicia kręgu w pkt. A. Drugi z wymienionych błędów run
(pkt. b) wykrywamy poprzez następujące postępowanie.
Odczyt na mikrometrze ustawiamy pokrętłem w pozycji 0
(zero).

Następnie

śrubą

ruchu

leniwego

alidady

doprowadzamy do koincydencji podziały kręgu A i B.

Systemy odczytowe

W dalszej kolejności, pokrętłem mikrometru
doprowadzamy do koincydencji sąsiednie kreski
podziałów A i B. Wtedy podziałka mikrometru
powinna wskazywać maksymalny odczyt. Nadmiar
lub niedobór na podziałce mikrometru wskazuje na
występowanie błędu run. Błąd ten podobnie jak w
systemie jednomiejscowym usuwamy przesuwając
soczewkę r obiektywu systemu odczytowego.
Należy zaznaczyć, że opisany sposób dotyczy
regulacji systemu odczytowego w małym zakresie.
Wszystkie

czynności

regulacyjne

systemu

odczytowego należy wykonywać w warunkach
laboratoryjnych, uważając by nie uszkodzić i nie
zabrudzić elementów optycznych układu lub innych
części instrumentu.

Systemy odczytowe

Przedstawiony na rys. pryzmat rozdzielczy zastosowano w
teodolicie Theo 010 Ziess. Jest to pryzmat trójkątny z
przyklejoną do przeciwprostokątnej posrebrzaną płytką.
Płytka jest posrebrzona całkowicie po stronie zewnętrznej i w
połowie po stronie wewnętrznej, przyklejonej do pryzmatu.
Płytka oprócz rozdzielania obrazów, ma za zadanie ustawienie
długości obrazu kresek optymalnej dla koincydencji. Na
płytce, w części nieposrebrzanej, naniesiony jest także indeks
mikrometru. Granica posrebrzania płaszczyzny wewnętrznej
tworzy kreskę rozdzielającą przeciwległe obrazy kręgu. Obraz
kręgu w punkcie A odbija się od posrebrzonej części
wewnętrznej płytki i tworzy się nad kreską rozdzielającą.
Natomiast obraz kręgu z punktu B, obija się od zewnętrznej
części płytki i w rezultacie tworzy się pod kreską
rozdzielającą.

Pryzmat rozdzielczy
Pryzmat rozdzielczy służy do rozdzielenia
obrazów

diametralnych

części

kręgu.

Zastosowanie tego elementu zapobiega
nakładaniu się na siebie kresek obrazów
przesyłanych

do

okularu

mikroskopu

odczytowego.

Systemy odczytowe

Te fragmenty obrazów z punktów A i B które zakłócałyby
obraz w polu widzenia mikroskopu, wpadają pomiędzy
posrebrzane ścianki płytki i odbijając się od

nich zostają

wygaszone.

Mikrometry optyczne
W najnowszych teodolitach optycznych o wyższej
dokładności odczytowej stosuje się mikrometry optyczne. Są
to systemy odczytowe jedno- lub dwumiejscowe. Zasada
działania polega na optycznym przesuwaniu obrazu podziałki
limbusa

względem

nieruchomego

indeksu.

W

celu

przesuwania obrazu limbusa stosuje się system optyczny
wykorzystujący efekt zmiany kierunku promienia po przejściu
przez ruchomy klin optyczny lub obracaną wokół osi płytkę
płasko-równoległą. W systemach dwumiejscowych stosuje się
dwa ruchome optyczne elementy odchylające. Zasadę
działania płytki płasko-równoległej, jako elementu optycznego
przesuwającego bieg promienia obrazuje rys.