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-równoległa
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.

Mikrometr optyczny z dwiema

płytkami płasko - równoległymi

W systemach odczytowych dwumiejscowych, do okularu
mikroskopu przekazywany jest obraz dwu diametralnych miejsc
na kręgu. Do odchylania obrazu używa się dwu płytek płasko-
równoległych o przeciwnych kierunkach obrotu. Każda płytka
odchyla obraz jednego miejsca kręgu. Obrazy kresek
diametralnych części limbusa poprzez obrót płytek doprowadza
się do koincydencji. Ponieważ obrazy przesuwają się w
kierunkach przeciwnych, doprowadzenie do koincydencji
powoduje zmianę położenia obrazów tylko o połowę ich
wzajemnej odległości. Z tego wynika, że przesunięcie skali
mikrometru o pełny zakres powinno odpowiadać przesunięciu
obrazu kręgu o połowę jego najmniejszej działki. Obrazy
diametralnych części kręgu doprowadzamy do koincydencji
poprzez obrót specjalnym pokrętłem zamontowanym we
wsporniku lunety teodolitu. Zasada działania urządzenia
pokazana jest na rys.

Mikrometr optyczny z dwiema

płytkami płasko - równoległymi

W systemach odczytowych dwumiejscowych, do okularu
mikroskopu przekazywany jest obraz dwu diametralnych miejsc
na kręgu. Do odchylania obrazu używa się dwu płytek płasko-
równoległych o przeciwnych kierunkach obrotu. Każda płytka
odchyla obraz jednego miejsca kręgu. Obrazy kresek
diametralnych części limbusa poprzez obrót płytek doprowadza
się do koincydencji. Ponieważ obrazy przesuwają się w
kierunkach przeciwnych, doprowadzenie do koincydencji
powoduje zmianę położenia obrazów tylko o połowę ich
wzajemnej odległości. Z tego wynika, że przesunięcie skali
mikrometru o pełny zakres powinno odpowiadać przesunięciu
obrazu kręgu o połowę jego najmniejszej działki. Obrazy
diametralnych części kręgu doprowadzamy do koincydencji
poprzez obrót specjalnym pokrętłem zamontowanym we
wsporniku lunety teodolitu. Zasada działania urządzenia
pokazana jest na rys.

Mikrometr optyczny z dwiema

płytkami płasko - równoległymi

Dla obu kół teodolitu stosowany jest jeden mikrometr, z
przełączanym obrazem kręgów. Wartość odczytu kręgu składa
się z dwu części, odczytu limbusa i odczytu mikrometru

Mikrometr optyczny z dwoma

parami klinów optycznych

Rys. przedstawia zasadę działania mikrometru z dwoma
parami klinów optycznych. Dla każdego z obrazów
diametralnych części kręgu zainstalowana jest para klinów
optycznych. Kliny wykonane są z jednakowego materiału
optycznego i mają jednakowe kąty łamiące. Przekroje główne
klinów są ustawione prostopadle do obrazu kresek, a krawędzie
łamiące ustawione w przeciwnych kierunkach.

Mikrometr optyczny z dwoma

parami klinów optycznych

Po złączeniu kliny tworzą płytkę płasko-równoległą . Dolna para
klinów jest nieruchoma, górna przesuwa się wzdłuż osi
optycznej układu. Kliny wprawia się w ruch pokrętką
mikrometru, a wielkość przesunięcia obrazu kresek pokazywana
jest na skali mikrometru.