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Automatisches Nivellier
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durch werden auch grosse Kippwinkel a des Instrumentenkörpers noch kompensiert und man kann ausser- dem die Selbsteinwägebedingung sehr genau einjustieren. Das Nachjustieren der Selbsteinwägebedingung kann vom Beobachter selbst jederzeit etwa folgendermassen vorgenommen werden : Der Beobachter beob- achtet einen festen Punkt im Gelände, z. B. einen Teilstrich einer senkrecht stehenden Messlatte. Nun i kippt er das Nivellier, indem er beispielsweise eine Fussscbraube verstellt, und beobachtet dabei den be- trachteten Teilstrich. Ist die Selbsteinwägebedingung nicht genau erfüllt, so sieht der Beobachter an der
Messlatte eine Höhenänderung.
Diese Höhenänderung ist natürlich umso grösser, je grösser der Winkel ist, um den das Nivellier gekippt wurde. Je grösser der lineare Bereich der Drehschwinglagerung ist, umso grössere Kippwinkel ct sind zulässig. Da das Auflösungsvermögen beim Ablesen der Höhenänderung für eine I bestimmte Zielweite konstant ist, können umso kleinere Abweichungen von der idealen Selbsteinwägebe- dingung wahrgenommen werden, je grösser der zulässige Kippwinkel a, d. h. der lineare Bereich der Dreh- schwinglagerung ist. Beim eigentlichen Messen ist die Verkippung a riatürlich wesentlich kleiner als beim
Einjustieren, beispielsweise kleiner als l', was mit einer Dosenlibelle ohne Zeitaufwand erreicht wer- den kann.
Die Abweichung von der Selbsteinwägebedingung ist bei gut justiertem Instrument dann so i klein, dass der Messfehler höchstens etwa : 0, l"wird, was gegen die zufälligen Fehler beim Nivellement vernachlässigt werden kann. Eine gute Erfüllung der Selbsteinwägebedingung ist ausserordentlich wichtig, da die durch Abweichungen von der Selbsteinwägebedingung verursachten Fehler sich beim Nivellieren im Vor- und Rückblick addieren, so dass gegebenenfalls unzulässig hohe systematische Fehler auftreten können.
Die Lagerung gemäss der Erfindung kann auch für einen optischen Bauteil in einem Zu- oder Vorsatz- gerät Verwendung finden, das, z. B. ähnlich wie Feinjustiergeräte, auf das Objektiv eines gewöhnlichen, nicht automatischen Nivelliers aufgesteckt oder anderweitig im'Strahlengang angeordnet werden kann und dieses Nivellier dadurch zu einem automatischen Nivellier macht. Die im nachfolgenden beschriebenen
Prinzipien und optischen Anordnungen gelten daher in gleicher Weise auch für ein Vorsatzgerät.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden : Fig. l zeigt teilweise im
Schnitt eine schematische Darstellung eines Nivelliers zur Erläuterung der Selbsteinwägebedingung ; Fig. 2 zeigt die Lagerung eines regelnden optischen Bauteils, die gemäss der Erfindung ausgebildet ist und bei einer der Fig. l ähnlichen Anordnung Verwendung finden kann ; Fig. 3 zeigt perspektivisch die optisch wirksamen Elemente einer andern Ausführungsform eines automatischen Nivelliers mit einem gemäss der
Erfindung gelagerten optischen Bauteil ; Fig. 4 zeigt eine etwas andere Ausführungsform einer erfindungs- gemässen Drehschwinglagerung, wie sie bei der Anordnung nach Fig. 3 Verwendung finden kann ; Fig. 5 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung ;
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Drehschwinglagerung gemäss der Erfindung mit drei Zugfäden und Fig. 7 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Eigenschaften der Er- findung.
Fig. l zeigt die Verhältnisse in einem automatischen Nivellier. Bei eingewogenem Instrument ver- läuft der waagrechte Zielstrahl l parallel zur optischen Achse bzw. parallel zum Fernrohrtubus 10. Das
Ziel wird durch das Objektiv 2 und die Schaltlinse 3 über die Prismen 4 und 5 in die Ebene der Strich- platte 6 auf das Fadenkreuz 7 abgebildet. Der Beobachter 8 sieht durch das Okular 9 das Ziel im Faden- kreuz 7 abgebildet. Wird das Instrument um einen Winkel et geneigt, so verläuft der Strahl l'im Win-
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ma 5 um einen bestimmten Winkel ss, der natürlich von dem Winkel ex und der Lage des Prismas im Strahlengang abhängt, so erscheint das Bild des Zieles infolge der Ablenkung des Strahlstückes l"auch bei eiiierneigung des Instrumentenkörpers um den Winkela wieder im Fadenkreuz 7.
Ist das Fernrohr anallaktisch, so ist das Verhältnis ss/a unabhängig"von der Entfernung des Zieles.
Der regelnde optische Bauteil braucht nicht unbedingt ein Prisma zu sein, er kann auch die Form einer planparallelen Platte haben, die bekanntlich bei schrägem Lichteinfall eine Parallelversetzung des Strahlenganges bewirkt. Schliesslich kann auch ein ebener Spiegel Verwendung finden.
In Fig. 2 ist die Lagerung des regelnden optischen Bauteils 5 durch eine Drehschwinglagerung gemäss der Erfindung dargestellt. Auf der einen Seite wird der regelnde optische Bauteil mit seiner Halterung 15 und Justiervorrichtung 3 & durch eine Torsionsvorrichtung 11, in diesem Falle durch einen Torsionsfaden oder-stab, der in der Drehachse 12 verläuft, axial unverschieblich gehalten. Auf der andern Seite befindet sich eine Zugvorrichtung aus zwei gekreuzten Fäden 13 und 14, die in der Mitte gekröpft sind. Die Zugfäden sind einerseits an der Regelvorrichtung 15, die der optische Bauteil 5 trägt, befestigt und anderseits an einer Blattfeder 16, deren Zugkraft durch eine Stellvorrichtung in Form einer Stellschraube 17 verändert werden kann.
Die'Ruhelage des regelnden Elementes 15 kann durch Verdrehen der Torsionseinrichtung 11 mittels einer Schraube 18 verstellt werden. Die Befestigungspunkte der einzelnen Fäden der
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Zugvorrichtung sind gemäss der Erfindung so gewählt, dass die Enden eines Fadens in einer Ebene liegen, die durch die Drehachse 12 geht. Bei einer bifilaren Zugvorrichtung müssen dabei dann auch die Enden des anderen Fadens in dieser Ebene liegen.
Bei dieser Anordnung sind die Fäden 13 und 14, die aus einem verhältnismässig starren Draht od. dgl. bestehen können, in der Mitte gekröpft. Die Kröpfung erhöht ausserdem die Elastizität der Fäden in ihrer
Längsrichtung, dadurch wird die Gefahr bleibender Verformungen durch Stösse od. dgl., die die Justierung beeinträchtigen können, wesentlich herabgesetzt.
Wenn das in Fig. 2 gezeichnete Prisma 5 an die Stelle des Prismas 5 in Fig. l treten soll, muss der
Schwerpunkt der durch die Drehschwinglagerung gehalterten Anordnung oberhalb der Drehachse liegen.
Liegt der Schwerpunkt unterhalb der Drehachse, so muss der Strahlengang vom Objektiv 2 durch die
Schaltlinse 3 zum Prisma 5, dann zum Prisma 4, zur Strichplatte 6 und zum Okular 9 ins Auge des Be- obachters 8 verlaufen. Ausserdem tritt eine Kompensation bei einem unterhalb der Drehachse gelegenen
Schwerpunkt ein, wenn das Prisma 4 in Fig. 1 geregelt wird. In diesem Falle müsste dann das Prisma in
Fig. 1 um 1800 gedreht werden.
Fig. 3 zeigt die optisch wirksamen Elemente eines etwas anders aufgebauten automatischen Nivelliers.
Die Optik enthält wieder ein Objektiv 2, eine Schaltlinse 3, eine Strichplatte 6 und ein Okular 9, wie bei der in Fig. 1 gezeichneten Ausführungsform. Die Regelung erfolgt hier jedoch durch einen ebenen, vor- zugsweise an der Oberfläche verspiegelten Spiegel 19. Der Strahlengang verläuft vom Objektiv 2 durch die Schaltlinse 3 über ein erstes Umlenkprisma 20 zum Spiegel 19 und von dort über ein zweites Umlenk- prisma 21, die Strichplatte 6, das Okular 9 in das Auge 8 des Beobachters. Als Prisma 21 findet vorzugs- weise ein Dachkantprisma Verwendung, so dass das Bild seitenrichtig erscheint. Natürlich kann statt des
Prismas 21 das Prisma 20 oder der optische Bauteil mit einer Dachkante versehen sein.
Die Lagerung für den Spiegel 19 enthält wieder ein Torsionselement 11 und zwei Zugelemente 13' und 14', die hier jedoch nicht gekreuzt sind, sondern etwas divergierend nebeneinander verlaufen. Der
Unterschied dieser Anordnung gegenüber der Anordnung nach Fig. 2 wird in Verbindung mit Fig. 7 noch er- läutert werden. Das Element 11 und/oder die Elemente 13'und 14'können ebenfalls gekröpft sein. Der
Schwerpunkt der Regelanordnung muss hier oberhalb der Drehachse liegen.
Fig. 4 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform. Das Torsionselement 11 ist am optischen Bau- teil 19 durch eine Klemmschraube 22 befestigt. Die Zugvorrichtung besteht aus einem haarnadelförmi- gen Gebilde 23, das an der einen Seite mit einer Schraube 24 am optischen Bauelement befestigt ist, wäh- rend die Enden ähnlich wie in Fig. 2 an einer Spannvorrichtung, beispielsweise einer Blattfeder 16 ange- bracht sind. Die Zugvorrichtung 23 ist hier mit zwei Kröpfungen dargestellt.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform. Die Fäden 13"und 14"der Zugvorrichtung verlaufen hier in anderer Richtung konisch als bei der Anordnung nach Fig. 3. Der Schwerpunkt der Regelanordnung liegt bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung oberhalb der Drehachse. Die Zugvorrichtung 13", 14"ist an einer ersten Blattfeder 16'befestigt, die an ihrem andern Ende mit einer zweiten Blattfeder 16" verbun- den ist, die etwa L-Form hat und an ihrem unteren Ende am Instrumentenkörper befestigt ist. Die Stellschraube 17'wirkt auf die zweite Blattfeder 16".
Die Geometrie dieser Federanordnung kann in Verbindung mit der Elastizität der Federn und mit dem Bauteil, der die Fäden 13", 14" an der Blattfeder 16' hält, so bemessen werden, dass bei Verstellung der Zugkraft durch die Schraube 17'keine Verschiebung der Drehachse 12 nach oben oder unten infolge einer Durchbiegung der Federn der Spannvorrichtung eintritt. Die Federn 16'und 16"können vorteilhaft aus einem Stück gefertigt werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 5 sind ausserdem Mittel vorgesehen, die bei der Einstellung des Regelelementes auftretenden Schwingungen zu dämpfen. Diese Dämpfungseinrichtung besteht aus einem Leiter, beispielsweise einem Kupferkörper 25, der sich in einem Luftspalt zwischen zwei Magneten 26 und 27 bewegen kann. Natürlich kann auch eine pneumatische oder hydraulische Dämpfungsvorrichtung verwendet werden.
Bei der dargestellten Anordnung ist ausserdem noch eine Justiervorrichtung 28 vorgesehen, die über mindestens eine Feder oder ein Torsionselement 29 mit dem regelnden Element verbunden ist. Durch diese Einrichtung kann ebenfalls die Zielrichtung und/oder die Selbsteinwägebedingung beeinflusst werden, sie dient insbesondere zur Feineinstellung. Man kann die Feder 29 als Spiralfeder so ausbilden, dass sich bei Verdrehen der Justierschraube 28 praktisch nur das auf das regelnde Element wirkende Drehmoment ändert, während der von der Feder 29 ausgeübte Zug in Längsrichtung konstant und vernachlässigbar klein ist. Man kann dann die Zielrichtung des Instrumentes sehr fein einstellen.
Ist die Feder so ausgebildet, dass das Drehmoment konstant bleibt, während sich die Zugkraft in Langsrichtung der Feder beim Verstellen der Justiervorrichtung 28 ändert, so kann damit die Selbsteinwägebedingung mit hohem Auflösungsvermö-
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gen einjustiert werden.
Es ist auch möglich, bei allen Ausführungsbeispielen das Torsionselement 11 durch eine zwei oder mehrfädige Zugvorrichtung zu ersetzen, wie sie auf der andern Seite des optischen Elementes Verwendung finden kann. Die Anordnung braucht dabei nicht symmetrisch zu sein.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Drehschwinglagerung mit einer dreifädigen Spannvorrichtung. Das optische Bauelement 5 ist auf der einen Seite wieder durch das Torsionselement 11 gelagert, während sich auf der andern Seite dreispannelemente 30, 31 und 32 befinden, die hier längs den Kanten eines symmetrischen dreiseitigen Pyramidenstumpfes verlaufen. Natürlich können die Fäden auch längs den Kanten eines geraden Prismas angeordnet sein oder sogar in einer Ebene liegen, unter Umständen können auch mehr als drei Fäden Verwendung finden, die beispielsweise auf einem Zylindermantel, einem Kegelmantel, den Kanten einer mehrseitigen Pyramide oder eines vielflächigen Prismas liegen, solange die Bedingung erfüllt ist, dass jeder einzelne Faden für sich in einer die Drehachse enthaltenden Ebene liegt.
In dem in Fig. 7 diugestellten Diagramm sind auf der Ordinate die bei einer Drehschwinglagerung auftretenden Drehmomente in Abhängigkeit vom Drehwinkel ss aufgetragen. Bei Erfüllung der durch die Er- findung gestellten Bedingung, dass nämlich in der Ruhelage die Fäden der Spannvorrichtung in einer Ebene
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soll weiter angenommen werden, dass für ss = 0 auch das Moment des Torsionsfadens gleich Null ist, das bedeutet, dass dieser in der Ruhelage nicht verdrillt ist und dass in der Ruhelage der Schwerpunkt des regelnden Bauelementes genau oberhalb oder unterhalb der Drehachse liegt.
Das durch die Torsionseinrichtung 11 gelieferte rücktreibende Drehmoment ist im Gültigkeitsbereich des Hooke'schen Gesetzes proportional dem Drehwinkel B, entspricht also der Geraden 33 in Fig. 7. Das durch die bifilare Spannvorrichtung, beispielsweise 23 in Fig. 2 gelieferte Drehmoment folgt in Abhängigkeit vom Drehwinkel ss einer Sinuskurve 34, wobei der Einfachheit halber angenommen ist, dass die Zugvorrichtung aus völlig biegsamen Fäden besteht, die keinerlei Torsionselastizität zeigen. Das Gesamtmoment der Drehschwinglagerung setzt sich aus dem Torsionsmoment und dem bifilaren Moment zusammen und entspricht der Kurve 35.
Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass es für einen grossen linearen Bereich erwünscht ist, in den Bereichen der Kurve 35 zu arbeiten, die zwischen A und B oder zwischen D und E liegen. Das bedeutet aber, dass in der Mitte dieser Bereiche, also an den Punkten 0 und 0'das bifilare Drehmoment Null sein muss. Dies entspricht im Punkte 0 einer Anordnung mit sich nicht schneidenden Fäden, während sich im . Punkte 0'die Fäden überkreuzen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Bei den bekannten Drehschwinglagerungen wurde meist im Bereich zwischen C und C'oder bei fast gekreuzten Fäden im Bereich zwischen C' und D gearbeitet ; es ist ersichtlich, dass in diesen Bereichen die Annäherung an die lineare Abhängigkeit des rücktreibenden Drehmomentes vom Winkel ss in vielen Fällen nicht ausreichend ist.
Die Einflüsse der Temperatur auf die Drehschwinglagerung sind dann am geringsten, wenn in der Ruhelage keine Momente vorhanden sind, d. h. wenn in der Ruhelage der Schwerpunkt des regelnden Elementes in einer Vertikalebene durch die Drehachse 12 liegt. Um dieses zu erreichen, wird vorzugsweise am regelnden Element eine Justiervorrichtung, z. B. eine Justierschraube 36 in Fig. 2, vorgesehen, durch die der Schwerpunkt in waagrechter Richtung verschoben werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Automatisches Nivellier mit einem der Schwerkraft unterworfenen, regelnden optischen Bauteil,
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waagrecht bleibt, wobei der optische Bauteil durch eine Drehschwinglagerung gelagert ist, die aus einem Torsionselement an der einen Seite des Bauteils und aus einer bifilaren oder mehrfädigen Spannvorrichtung an der andern Seite besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ruhelage des optischen Bauteils die VerMndungsgeraden der Befestigungspunkte jedes einzelnen Fadens sich in derDrehachse des optischen Bauteils schneiden oder zu ihr parallel sind.