Ugrás a tartalomhoz

Geodézia 9., Magasságok meghatározása

Tarsoly Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

9.4 Szintezőműszerek és tartozékaik

9.4 Szintezőműszerek és tartozékaik

A szintezőműszereket általánosságban három csoportba lehet sorolni:

  • Tulajdonképpeni szintezőműszerek: azok a műszerek, amelyek csak szintezésre használhatóak. Három további alcsoportba lehet őket sorolni: libellás szintezőműszerek, hagyományos kompenzátoros szintezőműszerek és digitális szintezőműszerek. A továbbiakban ezekkel a műszerekkel fogunk részletesebben megismerkedni.

  • Egyetemes szintezőműszerek: fő rendeltetésük a szintezés, de vízszintes szögmérésre, optikai távmérésre és esetleg zenitszögmérésre is használhatók. Ebbe a csoportba elsősorban a rögzített távcsövű, távmérőszállal ellátott szintezőműszerek tartoztak; a mai mérnöki gyakorlat már nem használja őket.

  • Egyetemes műszerek: azok a műszerek tartoztak ebben a csoportba, amelyek fő rendeltetése nem a szintezés volt, de fel voltak szerelve szintezőlibellával is, így szintezésre is lehetett őket használni. Egyetemes műszerek voltak elsősorban a tahiméterek, amelyek a hagyományos topográfiai felmérésnek voltak a műszerei.

9.4.1 A libellás szintezőműszerek

A libellás műszereknél a távcső irányvonalának vízszintessé tételére egy csöves libella, az úgynevezett szintezőlibella szolgál. (9-5. ábra) A távcső szögnagyítása átlagosan 15-25-szörös, a szintezőlibella állandója pedig 30-60”. Amennyiben a szintezőlibella tengelye párhuzamos az irányvonallal, akkor a szintezőlibella buborékjának középre állítása után az irányvonal vízszintes lesz. A szintezőlibellát a távcső fekvőtengely körüli szabatos forgatásával, a szintezőcsavar segítségével lehetett középre állítani.

9-5. ábra A libellás szintezőműszer (Krauter, 2002)

A libellás szintezőműszereken csak az egyszerűbb megoldásokon lehetett közvetlenül szemlélni a szintezőlibella buborékját. Általában egy prizmás vetítőberendezés segítségével a két buborék-felet bevetítették vagy az okulárba, vagy egy külön nagyítóba. A szintezőcsavar forgatásával a két buborék ellentétes irányba mozdult el; a távcső akkor volt vízszintes (volt középen a szintezőlibella buborékja), ha a két buborék-felet koincidenciában láttuk. A libellás szintezőműszer vizsgálatakor három feltételnek kell teljesülnie:

  • A szelencés libella legyen igazított az állótengelyhez. Amennyiben a szelencés libella igazított az állótengelyhez és a talpcsavarokkal középre állítottuk, akkor a műszert körbe forgatva a szintezőcsavar használatával a szintezőlibella buborékja bármely helyzetben középre hozható. Ha a szelencés libella nem igazított az állótengelyhez, akkor el kell végeznünk az állótengely pontos függőlegessé tételét a szintezőlibellával a Geodézia I-ben már megismert módon, majd az igazítócsavarok segítségével középre kell állítani a szelencés libella buborékját. A középre állított helyzetett le kell ellenőrizni (vagy esetleg meg is kell ismételni) egy 180 fokkal eltérő helyzetben.

  • A fekvő irányszál legyen merőleges az állótengelyre. Megfelelően pontos lécleolvasást végezni csak abban az esetben lehet, ha nincs szálferdeség. Ha a fekvőszál bal oldalával megirányzunk egy pontot, majd a műszer parányi forgatásával a pont képét végigvezetjük a fekvőszálon és nem mozdul le róla, akkor a fekvőszál merőleges az állótengelyre. Ellenkező esetben a műszert igazítani kell; a diafragmagyűrű segítségével el kell forgatni a szállemezt, és ezzel hozni vízszintes helyzetbe a fekvőszálat.

  • A szintezőlibella buborékja legyen igazított a távcső irányvonalához. A szintezőlibella középre állításával a távcső irányvonala csak abban az esetben lesz vízszintes, ha a buborék tengelye párhuzamos az irányvonallal. Ellenkező esetben irányvonal-ferdeségről beszélünk, amely a szintezés egy nagyon jelentős hibaforrása. Vizsgálata nagyon fontos a mérnöki gyakorlatban. Közel vízszintes terepen jelöljünk ki két pontot egymástól t távolságra, legalább 30 méterre. (9-6. ábra) Álljunk fel a szintezőműszerrel a két ponttól egyenlő távolságra, és határozzuk meg a két pont magasságkülönbségét. A műszer-léc távolságok egyenlősége miatt az irányvonal ferdesége ugyanolyan mértékben fogja terhelni a hátra és az előre leolvasást, így hatása a „hátra mínusz előre” számítási képletnek megfelelően kiesik. A magasságkülönbséget többszörös ismétléssel határozzuk meg – ezzel is csökkentve a meghatározást terhelő hibák előfordulásának lehetőségét – és a hibátlan magasságkülönbségnek (Δm) a meghatározott magasságkülönbségek számtani középértékét fogadjuk el.

9-6. ábra Az irányvonal-ferdeség meghatározása (Krauter, 2002)

Ezután a szintezőműszert áthelyezzük a hátra léc mögé, a legkisebb irányzási távolságnál alig nagyobb tk távolságba. Ezután ismét leolvasunk a hátra és az előre lécen (lE, lH), és meghatározzuk az irányvonal-ferdeség hatásával terhelt hibás magasságkülönbséget. Ezt a magasságkülönbséget is többszörös ismétléssel határozzuk meg. Az 9-6. ábra alapján:

9.7. Egyenlet

Ahonnan a γ irányvonal-ferdeség kiszámítható. A vízszintes irányvonalhoz tartozó lécleolvasás:

9.8. Egyenlet

A vizsgálat végén a fekvőszálat a szintezőcsavarral a kell leolvasás értékre kell állítani.

9.4.2 A kompenzátoros szintezőműszerek

A kompenzátoros szintezőműszereknél elegendő a műszer állótengelyét csak közelítőleg függőlegessé tenni, a távcső ferdeségét, a távcsőhajlást a kompenzátor már automatikusan kompenzálni fogja, és ezzel állítja elő a vízszintes irányvonalat. A kompenzátorok szerkezeti megoldásairól már volt szó Geodézia I-ből, ezért ebben a fejezetben a kompenzátorok szerkezeti megoldását már nem tárgyaljuk részletesen, csak annyit említünk meg, hogy a szintezőműszerekben a leggyakrabban ingás felfüggesztésű kompenzátorokat használnak. A kompenzátos szintezőműszerek előnye a libellás szintezőműszerekkel szemben, hogy használatuk gyorsabb és egyszerűbb, kevésbé érzékenyek a hőhatásokra. Hátrányuk az, hogy járművek mozgásának hatására vagy erős szélben a kompenzátor rezgésbe jöhet, és ez megnehezíti, vagy éppen lehetetlenné teszi a leolvasás végrehajtását. A kompenzátoros szintezőműszerek távcsőve az alhidádéval össze van kötve, a műszernek tehát nincs fekvőtengelye.

Tételezzük fel, hogy a távcső irányvonala nem vízszintes, hanem azzal valamilyen α szöget zár be. Az objektív optikai középpontján átmenő vízszintes fénysugár, az úgynevezett fősugárnak a szintezőléc képével alkotott L metszéspontja adja a helyes lécleolvasást. Amennyiben a távcső pontosan vízszintes lenne, az L döféspont az S szálkereszt középpontban képződne le. Nem teljesen vízszintes irányvonal mellett L és S pontok nem esnek egybe. (9-7. ábra)

9-7. ábra A kompenzálás elmélete szintezőműszereknél: a, a távcsőhajlás; b, irányvonal-vezérlés; c, fősugár-vezérlés (Krauter,2002)

A kompenzátor feladata lényegében az, hogy a kompenzálás tartományán (értéke 8-10’) belül biztosítsa az L lécpont képének és az S pontnak az egybeesését. Ennek két gyakorlati megvalósítása lehetséges:

  • Irányvonal-vezérlés. A K pontbeli kompenzátor az S pontot eltolja az L pontba, tehát az irányvonal mozdul el. A leggyakoribb megoldása a szálkereszt ingaszerű felfüggesztése.

  • Fősugár-vezérlés. A kompenzátor az L pontot tolja el az S pontba, azaz megtöri a vízszintes fősugarat. A leggyakoribb megoldása valamely optikai elemnek az ingaszerű felfüggesztése.

A kompenzátoros szintezőműszerekkel szemben az alábbi követelményeket támasztjuk:

  • A szelencés libella legyen igazított az állótengelyhez. Vizsgálata és igazítása ugyanolyan módon történik, mint a libellás szintezőműszereknél.

  • A fekvő irányszál legyen merőleges az állótengelyre. Vizsgálata és igazítása ugyanolyan módon történik, mint a libellás szintezőműszereknél.

  • Horizontferdeség. A távcsőhajlást a ferde állótengely okozza. Ha a műszert elforgatjuk az állótengely körül olyan módon, hogy az irányvonal az állótengely dőlési síkjába essen, akkor a távcsőhajlás nagysága az állótengely dőlési szögével azonos nagyságú lesz. Természetesen két ilyen helyzet van; ezek egymással 180 fokot zárnak be. A két helyzetben a távcsőhajlás értéke azonos mértékű lesz, de előjele ellentétes. Amennyiben az irányvonal merőleges az állótengely dőlési síkjára, úgy a távcsőhajlás értéke nulla lesz. Ha az állótengely ferdesége a kompenzátor kompenzálási tartományán belül van, és a kompenzátor hibátlanul működik, úgy a műszer képes kezelni a távcsőhajlás értékét, és a vízszintes irányvonalhoz tartozó lécleolvasást. Amennyiben az állótengely dőlése nagyobb, mint a kompenzátor működési tartománya, vagy a kompenzátor nem működik megfelelően, a műszer nem lesz képes előállítani a vízszintes horizontsíkot. Ezt a jelenséget horizontferdeségnek nevezzük. Kiküszöbölése a műszer állótengelyének gondos függőlegessé tételével lehetséges (és a szelencés libella állótengelyhez való igazításával), illetve a kompenzátor hibájának esetén műszerlaboratóriumban, finommechanikai eszközökkel.

  • Az alapirányvonal legyen merőleges az állótengelyre. A vizsgálat célja a libellás szintezőműszerekhez hasonlóan az irányvonal-ferdeség meghatározása. Alapirányvonalnak az irányvonalnak pontosan függőleges állótengely mellett elfoglalt helyzetét tekintjük. A hibátlan Δm magasságkülönbség meghatározásához a műszert a két léctől egyenlő távolságra, a két léc összekötő egyenesén kell meghatározni. A horizontferdeség hatásának kiküszöbölése miatt a hátra és előre leolvasás előtt is középre kell állítani a szelencés libella buborékját a talpcsavarok segítségével. Ezután át kell állni a hátra léc mögé a műszer legkisebb leolvasási távolságánál alig nagyobb távolságra, és meg kell határozni az irányvonal ferdeség hatásával terhelt magasságkülönbséget. Ebből a leolvasásból a horizontferdeség hatását olyan módon lehet kiküszöbölni, hogy leolvasás előtt egy rátét libellával az állótengelyt gondosan függőlegessé teszzük. A kell leolvasást a libellás szintezőműszereknél ismertetett képlet alapján lehet számolni, majd a kompenzátor megfelelő igazítócsavarjával a fekvőszálat a kell leolvasás értékre tolni.

9.4.3 Digitális szintezőműszerek

A hagyományos libellás és kompenzátoros szintezőműszerek a mai mérnöki gyakorlatban háttérbe szorultak a digitális szintezőműszerekkel szemben. Elérhető áruk, a leolvasás automatikussá tétele, egyszerű és gyors kezelésük, esetlegesen beépített programjaik (pl. kiegyenlítés) új lehetőségeket nyitottak a pontos mérnöki magasságmeghatározásban. A digitális szintezőműszerek és szintezési eljárások ismertetését Dr. Ágfalvi Mihály útmutatásai alapján, Deumlich-Steiger: Instrumentenkunde der Vermessungstechnik című könyve alapján végezzük.

A mai digitális szintezőműszerek elődjét a bonni egyetemen Zetsche professzor irányításával fejlesztették ki 1966-ban. A műszer bárkódos osztású szintezőlécen tudott leolvasni, és speciális zoom optikája kompenzálni tudta a méretarányváltozást. A méretarányváltozás kompenzálás azt jelenti, hogy az osztásvonások távolsága a képen a léctávolságtól függetlenül mindig azonos marad. A drezdai műszaki egyetemen 1982-ben kezdődtek meg azok a kutatások, amelyek eredményeként 1987-re elkészült egy mai értelmeben vett digitális szintezőműszer prototípusa, amelynek sorozatgyártása azonban sohasem valósult meg. Az első sorozatgyártású digitális szintezőműszert a Leica cég mutatta be 1990-ben (NA200), amely már egy bárkódos lécről tudott automatikus leolvasást végezni. (9-8. ábra) Ma már négy különböző műszergyártó - Leica, Sokkia, Topcon, Trimble – kínálja eladásra a különböző pontosságikategóriába sorolható szintezőműszereit.

9-8. ábra A Leica NA 2000 digitális szintezőműszer és a hozzá tartozó bárkódos léc egy szakasza

A digitális szintezőműszerek megvalósításakor az jelentette a legnagyobb kihívást, hogy hogyan tudják megvalósítani a bárkódos lécek osztásvonásainak leolvasását, majd a kapott digitális adatok átalakítását számértékekké. A lécleolvasások meghatározása nagyon hasonló a vízszintes, elektronikus körleolvasások meghatározásához.(9-9. ábra) A digitális szintezőműszerek geometriai működésének alapelve az, hogy a léc megirányzása után a látómezőben megjelenő (és egyben a szálsíkban leképződő) léckivágatot az optika leképezi egy CCD (Charge Coupled Device) cellasorra. A léckivágat a szintezőlécnek egy szakasza, amelyen meg kell határozni a vízszintes irányvonalnak a döféspontját. A vízszintes irányvonalhoz tartozik egy olyan leolvasás, amelyet a szálkereszt helyett egy kalibrálási eljárással meghatározott cellához rendelnek.

9-9. ábra A digitális szintezőműszer geometriai működésének elve.

A bárkódos szintezőlécen fekete és fehér osztások vannak, így amikor a léckivágat képe leképződik, akkor a CCD érzékelőkön lényegében a beérkezett fényintenzitások képződnek le. Ezeket egy analóg-digitál átalakító a jelnégyzetelés módszerével átalakítja bináris számokká, azaz 0 és 1 számjegyekké. (9-10. ábra) A feldolgozóegységben 0 és 1 számjegyekből álló kódsorozatot a kód-korreláció módszerével összehasonlítják egy előre eltárolt referencia jelsorozattal, és így már értelmezhetővé válik a léckivágat képe. Ha sikerül a léckódokat értelmezni, akkor egyben meg lehet határozni a vízszintes irányvonalhoz tartozó lécleolvasást is, amelyet a műszer általában a ferde távolsággal együtt kijelez a kijelzőre.

9-10.ábra A digitális szintezőműszer mérési folyamata

Összefoglalóan a mérés folyamata a digitális szintezőműszerek esetén négy részre osztható:

1. A léc képének rögzítése egy 256-2048 pixellel (képelem) rendelkező CCD-soron.

2. A léc képének analóg-digitál átalakítása.

3. A digitális kép különböző módszerekkel (pl. jelnégyzetelés, kód-korreláció stb.) történő kiértékelése.

4. Eredmény kijelzése a kijelzőn. (magasságkülönbség, vízszintes távolság)

Amikor 1990-ben az első digitális szintezőműszert a szakmai nyilvánosság előtt bemutatták, a fejlesztők szabályos hibáktól mentes méréseket ígértek. A hagyományos szintezőműszerekhez hasonlóan azonban a digitális szintezőműszerek sem tökéletesek, számos gyengeséggel rendelkeznek.

A digitális műszerek optikai-mechanikai felépítése nagyon hasonló a kompenzátoros szintezőműszerekéhez, kiegészítve természetesen a képrögzítés, képfeldolgozás és képkiértékelés megfelelő elemeivel. A kompenzátoros szintezőműszerknél fellépő hibák ennél a műszercsoportnál is megtalálhatóak. A későbbiekben ismertetett refrakció és légrezgés a digitális műszerekre is hatással van, bár nagy előny, hogy a műszer egy sávot olvas le, és korlátozható a leolvasott lécsáv magassága. A műszerek a rezgésekre is érzékenyek, ezért építési környezetben vagy forgalmas út mellett, nagy szélben a leolvasás nehézségekbe ütközhet. A leolvasó egység nagyon érzékeny a léc megvilágítására. Alkonyatkor, sötétebb helyen nem jut elég fény a CCD érzékelőkre, emiatt a mérés félbeszakad. Megoldást jelenthet a léc lámpával történő megvilágítása. Ellenkező hatás lép fel erős napsugárzásban, ha közvetlenül a nap irányába álló lécre kell irányozni. Ebben az esetben a CCD érzékelőkre túl erős fény jut, és a mérés szintén megszakad. Kiküszöbölése objektív védősapkával lehetséges. Ha az irányvonal mintegy 6 centiméterrel a léc teteje fölé, vagy a léc talpa alá esik, akkor a mérés még lehetséges, de kedvezőtlen a hibaterjedés szempontjából. A léc alsó részén történő leolvasást a fenti hiba és a refrakció miatt kerülni kell, azért azt szokták kikötni, hogy a legalacsonyabb leolvasás nem lehet kisebb, mint 0.50 méter. Ha a lécen található szelencés libella buborékját nem megfelelően állítjuk középre, akkor ennek hatása a léc tetején tett leolvasásnál lesz maximális. Az esetleges léc feletti leolvasások és a szelencés libella nem megfelelően történő középre állítása miatt bekövetkező hibák elkerülése végett a léc felső 0.30-0.50 méteres sávjában nem szabad leolvasni. A műszerek kiértékelő algoritmusai bizonyos mértékig kezelni tudják a léc kitakarását, de ez nem lehet nagyobb, mint a teljes léchossz 30%-a. Ha a lécet nem merőlegesen tartjuk az irányvonalra, akkor a lécelfordulás miatt az érzékelőkön csak a léc egy keskeny sávja képződik le, amely adott esetben meghiúsítja a mérést. Műszerlaboratóriumi vizsgálatok kimutatták, hogy a lécelfordulás mintegy 51°-ig nem okoz jelentős hibát. A későbbiekben ismertetett műszer- és lécsüllyedési hiba, a szintfelület görbültsége, az irányvonalfedeség és a horizontferdeség, a fekvőtengely külpontossága, a lécosztás hibái, valamint a léc talppoti hibája szintén befolyásolja a digitális szintezőműszerekkel elérhető pontoságot.

9.4.4 A szintezőfelszerelés

A szintezőműszerek felállításakor nem kell pontraállni, az állótengelyt csak közelítően kell függőlegessé tenni egy szelencés libellával. A szintezőműszerek állványa hasonló a teodolitok műszerállványához; általában nem olyan robosztus felépítésüek, és gyakran nem összecsúsztatható lábakkal rendelkeznek.

A szintezőléc anyaga általában fa vagy üvegszál, újabban alumínium. A léc hossza általában 3 méter, de készülnek ettől hosszabb és rövidebb lécek is, különösen a speciális mérnökgeodéziai feladatok végrehajtásához. (9-11. ábra) A lécek lehetnek egy tagból állóak, félbe hajthatók vagy teleszkóposak. A teleszkópos léceket az illesztésnél fellépő osztáshibák miatt csak kisebb megbízhatóságú szintezési feladatoknál lehet alkalmazni. A lécek hátoldalán szelencés libella van, amely feladata a léctengely függőlegesbe állítása. A lécek hátoldalára gyakran szerelnek kihajtható fogantyúkat, amelyek a könnyebb léctartást teszik lehetővé. A hagyományos lécek centiméteres vagy fél-centiméteres osztásúak, a digitális szintezőléceken pedig kódolt osztásokat alkalmaznak.

9-11. ábra Hagyományos szintezőléc és szintezősaru

Nem szabatos szintezésnél szintezősaru biztosítja, hogy a léc magassági helyzete mérés közben ne változzon meg. A szintezősaru öntöttvasból készül, alul körmökkel mélyed a talajba, felső része gömbsüveg alakú, amelynek legmagasabb pontjára kell helyezni a szintezőlécet. Ebben az esetben a szintezőléc alsó éle függőleges léctartás melett a szintezősaru legmagasabb pontjának érintő egyenese. A szintezősarura helyezett léc magassága változatlan marad, amikor a léc hátra leolvasásból előre leolvasásba fordul, azaz az új műszerállás felé. Szabatos méréseknél nem szintezősarut, hanem vascöveket vagy karó tetejébe vert gömbölyűfejű szeget szoktak alkalmazni a lécek alátámasztására.