Nivellierinstrument Nivellierinstrumente müssen zum Gebrauch so einjustiert werden, dass die Zielrichtung des Beob achtungsfernrohres senkrecht zum Lot steht, was durch Grobeinstellung mit einer Dosenlibelle und Feineinstellung mit einer Nivellierlibelle geschieht. Bei automatischen Nivellieren wird die Feineinstel lung durch ein optisches Bauteil im Instrument selbst tätig durchgeführt; es entfällt also der Arbeitsgang der Einstellung der Nivellierlibelle.
Beim Nivellieren bestimmt der Beobachter z. B. den Höhenunterschied zweier Punkte. Er liesst dabei die Längenteilung an zwei lotrecht gehaltenen Mess- latten ab. Die Differenz der beiden Längenablesun- gen ist der Höhenunterschied zwischen den beiden Punkten, an denen die Messlatten lotrecht gehalten wurden. Die Messgenauigkeit hängt unter anderem davon ab, wie genau die Längenablesung an der Messlatte durchgeführt werden kann. Bei Ingenieur nivellements genügt es, wenn der Beobachter die Lage des waagrechten Striches des Fadenkreuzes im Hinblick auf das Lattenbild abschätzt. Er kann z. B. auf
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der Lattenteilung schätzen.
Bei Fein nivellements wird zur Lattenablesung ein optisches Mikrometer verwendet. Dieses besteht aus einer drehbaren planparallelen Platte vor dem Objektiv. Durch Drehen der Platte kann bei einsgewogenem Nivellier das Bild eines Striches der Messlatte mit dem waagrechten Strich der Strichplatte zur Dek- kung gebracht werden. Die Verdrehung der Plan platte ist ein Mass für die Lage des Striches der Strichplatte zwischen den Bildern zweier Teilstriche der Messlatte und kann vom Beobachter abgelesen werden. Dieses Koinzidenzverfahren ergibt bekannt lich aus physiologischen Gründen genauere Able sungen als die Intervallschätzung. Es sind verschiedene Ausführungsformen von Nivellierinstrumenten bekannt.
Das optische Bauteil kann z. B. ein in den Strahlengang des Fernrohres eingeschaltetes Prisma sein, das an den vier Ecken seiner Basis durch Fäden am Instrumentenkörper beweglich aufgehängt ist; die Art der Aufhängung ist dabei so gewählt, dass beim Kippen des Nivel- liers die Ziellinie durch die Verschiebung und Dre hung des Prismas waagrecht bleibt.
Das Prisma kann auch eine Achse besitzen, die in zwei V-för- mige Bändchen eingehängt oder über ein Gestänge mit einem Pendel verbunden ist, ferner kann das Prisma von einem elastischen Zwischenglied oder einem Spannband gehaltert werden. Schliesslich kann im Fernrohr eine beweglich aufgehängte Strichplatte enthalten sein.
Alle diese Konstruktionen können so bemessen werden, dass die Ziellinie des Nivelliers in einem gewissen Winkelbereich unabhängig von der Neigung des Fernrohrs wird. Sie besitzen jedoch sämtlich den Nachteil, dass die Justierung des Ge räts im Werk vorgenommen werden muss und für den Beobachter keine Möglichkeit zur Nachjustierung während des Gebrauchs gegeben ist. Dieser Mangel begrenzt die Anwendungsmöglichkeit erheblich, da die Betriebssicherheit leidet.
Besonders in abgelege nen Gebieten, wo die Instrumente meist noch durch die Transportverhältnisse besonders beansprucht werden, ist dieser Umstand von ausschlaggebender Bedeutung. Die Erschütterung beim Transport und bei der Aufstellung des Instrumentes kann nämlich die Lagerung des regelnden, optischen Bauteiles bleibend verändern.
Es kommt sogar bei fabrikneuen Geräten zuweilen vor, dass sich durch Alterungs- erscheinungen des Materials die Justierung von selbst ändert. Damit ändert sich die Einwägebedingung und die Lage des im Hinblick auf das Fadenkreuz. Die Lage des Zielbildes kann in be schränktem Umfang durch Verschieben der Strich- platte vom Beobachter berichtigt werden.
Die Ein wägebedingung kann nur dadurch berücksichtigt wer den, dass der Beobachter das Instrument einem Fachmann übergibt, der über besondere Einrichtun gen und Erfahrungen verfügt und das Instrument neu einstellt oder das schadhafte regelnde Bauteil gegen ein neues austauscht. Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend und kostspielig und stellt damit die Durchführung bestimmter Messaufgaben in Frage.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Instrumente ergibt sich aus der Tatsache, dass die Selbsteinwä gungsbedingung von der Lage des regelnden opti schen Bauteiles und von der Entfernung des Zieles abhängt. Sie ist nur dann von der Entfernungsein stellung des Nivellierinstrumentes unabhängig, wenn das regelnde, optische Bauteil im sogenannten an- allaktischen Punkt liegt. Bei selbsttätigen Nivellier- instrumnenten fasst man das regelnde, optische Bau element und seine Lagerung zu einer Baugruppe zu sammen.
Diese Baugruppe kann nicht in den an- allaktischen Punkt gelegt werden, ausser bei Ver wendung einer komplizierten und teuren Optik. Die ser Aufwand ist jedoch bei einfacheren Nivellier instrumenten, z. B. den sogenannten Ingenieur- und Baunivellierinstrumenten nicht tragbar.
In der Praxis verwendet man ausserdem vor zugsweise optische Instrumente mit einer Schalt- oder Fokussierlinse. Bei diesen Instrumenten ist der Ort des anallaktischen Punktes von der Stellung der Schaltlinse abhängig. Solche Nivellierinstrumente er geben widerspruchsvolle Messergebnisse, je nachdem, mit welchen Zielweiten gearbeitet wird. Die Regel mechanik ist ausserdem für den Beobachter unzu gänglich.
Die Erfindung bezweckt, die vorgenannten Nach teile bekannter automatischer Nivellierinstrumente mindestens weitgehend zu beheben.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Nivellierinstrument mit einem regelnden, optischen Bauteil, das bei Neigungen des Nivellierinstrumentes in bezug auf die Horizontale eine derartige Lage änderung erfährt, dass die, Zielrichtung des Nivellier instrumentes unabhängig von den Neigungen be züglich der Sollstellung konstant, insbesondere hori zontal bleibt, dadurch gelöst, dass das optische Bau teil drehbar zwischen einem am Instrumentenkör per gelagerten Torsionsfaden einerseits und minde stens zwei gespannten, über ein federndes Bauteil mit dem Instrumentenkörper verbundenen Fäden an derseits gehaltert ist.
Der drehbare Körper dient dabei vorzugsweise als regelndes optisches Bauteil, wobei der Torsions faden zur Verstellung der Zielrichtung und die Stell vorrichtung für die Zugkraft zur Einstellung der Selbsteinwägungsbedingung ausgebildet sind.
Man erreicht dadurch, dass die Zielrichtung in weiten Grenzen verstellt und berichtigt werden kann, ebenso lässt sich die Selbsteinwägungsbedingung an die verschiedenen Zielentfernungen anpassen und nachjustieren. Die Drehschwinglagerung gewährlei stet auch bei starker Stossbelastung des Instrumentes eine stosssichere Lagerung des regelnden Bauteiles und eine störungsfreie Messung.
Der Beobachter kann mit dem erfindungsgemä ssen Nivellierinstrument an dem Messort während der Messung die Selbsteinwägungsbedingung prüfen und berichtigen, z. B. dadurch, dass er ein festes Ziel im Gelände oder einen Teilstrich auf der Mess- latte beobachtet und das Nivellier im Bereich der Dosenlibelle neigt, indem er eine Fussschraube des Nivelliers verstellt. Wandert das Zielbild im Hin blick auf das Fadenkreuz, dann braucht der Beob achter nur die Stellvorrichtung für die Zugkraft zu betätigen, bis das Zielbild stehen bleibt. Das Stehen bleiben des Zielbildes bei einer geringen Neigung des Nivelliere ist die Gewähr dafür, dass die Selbst- einwägungsbedingung richtig ist.
Bei einer unsach gemässen Behandlung des Instrumentes, z. B. wenn beim Wechseln des Standortes in schwierigem Ge lände das Instrument zu Boden fällt, kann beim neuen Standort das Instrument geprüft und berich tigt und damit die Messreihe in Fluss gehalten wer den. Während bisher in vielen Fällen eine Mess- re,ihe abgebrochen werden musste oder sich bei der Auswertung als falsch erwies, ist es mit dem Instru ment nach der Erfindung möglich, die Messung ohne Zeitverlust und fehlerfrei fortzusetzen.
Weiterhin kann man bei dem Nivellierinstrument nach der Erfindung die Zielrichtung in vorteilhafter Weise waagrecht stellen, z. B. dadurch, dass man zu erst aus der Mitte nivelliert und den richtigen Höhenunterschied h zweier Mcsslatten abliesst. Man lässt die Messlatten stehen und bringt das Instrument mit der kürzesten Zielweite, die möglich ist, vor die höher liegende Messlatte und liest die Instrumenten höhe I ab.
Weiterhin dreht man das Instrument zur weiter entfernt liegenden Messlatte und betätigt die Stellvorrichtung für den Torsionsfaden, bis man die Höhe h + I abliest. Bei dieser Ablesung ist die Zielrichtung waagrecht.
Ausserdem kann man bei dem Nivellierinstrument nach der Erfindung die Stellvorrichtung für den Tor sionsfaden zur Koinzidenzablesung und als Mikro meter verwenden, so dass eine Planplatte vor dem Objektiv eingespart werden kann. Bei der Ablesung der Lattenteilung kann der Beobachter die Stellvor richtung für den Torsionsfaden verstellen., bis er z. B.
einen Strich der Latteneinteilung mit dem waag rechten Strich der Strichplatte zur Deckung bringt. Die Verstellung der Einstellvorrichtung für den Tor sionsfaden ist ein Mass für die Lage des waagrechten Striches der Strichplatte zwischen zwei Strichen der Messlatte. Die Torsionsvorrichtung für den Torsions- faden ist als Mikrometer verwendbar, wenn sie z. B. eine Teilscheibe aufweist, die durch Reibung gehalten ist und gegen die Torsionsvorrichtung ver dreht werden kann.
Bei der Berichtigung der Ziel richtung hat der Beobachter zunächst die Zielrich- tung waagrecht zu stellen und anschliessend die Mikrometerteilung auf den Teilstrich Null zu drehen. Das erfindungsgemässe Instrument ist dann als Feinnivellier verwendbar und wird den höchsten Anforderungen gerecht.
Das erfindungsgemässe Nivellierinstrument kann mit billigen Werkstoffen erstellt werden, die einer starken Alterung unterliegen, und ist im fabrikneuen Zustand, ohne künstliche Alterung oder vorherige Lagerung, einsatzbereit, da der Beobachter die Ju stierung prüfen und selbst berichtigen kann.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung be steht darin, dass im Gesichtsfeld gleichzeitig mit dem Ziel die Abbildung des Horizontalkreises erscheint. Mlan erreicht dadurch ein sicheres Ablesen des Teil kreises. Der Beobachter benötigt sowohl für die Ab lesung der Messlatte als auch für die Ablesung des Teilkreises nur einen Einblick ins Instrument und hat damit den kleinsten persönlichen Abiesefehler. Es kann z. B. zweckmässig sein, einen Ausschnitt der Kreisteilung des Horizontalkreises durch eine Linse und ein Umlenkprisma auf die Strichplatte des In strumentes also in die Bildebene des Fernrohres abzubilden.
Ebenso kann auch die Skala des Mikrometers für die Koinzidenzablesung in die Bildebene des Fern rohres und damit also in das Gesichtsfeld des Beob achters abgebildet werden.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Stellvor- ricltung für die Verschiebung der Schaltlinse mit der Stellvorrichtung der Zugkraft zu verbinden, z. B. mit einem Hebelgelenk. Man erreicht, dass der Beob achter beim Betätigen der Schaltlinse zwangläufig die zu der betreffenden Zielentfernung gehörige Selbsteinwägungsbedingung einstellt, auch dann, wenn das regelnde optische Bauteil ausserhalb des anallaktischen Punktes liegt. Das Instrument misst dann bei jeder Entfernung zwangläufig richtig.
Ferner kann mit der Verstelivorrichtung für die Zugkraft, mit der die Selbsteinwägungsbedingung geregelt wird, eine Vorstellvorrichtung für die Tor sionskraft gekoppelt sein, so dass die Zielrichtung, die sich bei Änderung der Zugkraft verstellen kann, erhalten bleibt.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Nivel- lierinstrumen tes näher beschrieben: Fig. 1 zeigt ein Nivellierinstrument mit Selbst einwägung und dient zur Erläuterung der Selbstein wägebedingung.
Fig. 2a zeigt den Regelmechanismus eines selbst einwägenden Nivelliers, wobei das regelnde optische Bauteil mit einer Drehschwinglagerung gehaltert ist.
Fig. 2b zeigt die Drehschwinglagerung im ein zelnen, mit einer Mikrometerschraube und Vorrich tung für das Koinzidenzverfahren. Das optische Bau teil ist dabei als Prisma ausgebildet.
Fig. 3 zeigt einen Teil der Drehschwinglagerung nach Fig. 2b, wobei jedoch das regelnde optische Bauteil als planparallele Platte gezeichnet ist. Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung zur Einspiegelung der Ablesung des waagrechten Teil kreises in das Gesichtsfeld des Nivellierinstrumentes.
Fig. 5 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 3. Gleiche Bauteile sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt die Verhältnisse an einem Nivellier instrument. Bei eingewogenen Nivellierinstrumenten verläuft der waagrechte Zielstrahl 1 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 Strichplatte 6 auf das Fadenkreuz 7 abgebildet. Der Beobachter 8 sieht durch das Okular 9 das Ziel im Fadenkreuz 7 abgebildet. Wird das Nivellier instrument um einen Winkel a geneigt, dann verläuft der Strahl 1' im Winkel a zum Tubus 10 und der Beobachter 8 sieht das Ziel ausserhalb des Faden kreuzes 7, das Nivellierinstrument ist nicht mehr ein gewogen. Wird nun aber z.
B. die Stellung des, Pris- mas 5 in Abhängigkeit von der Lage des Instrumen tenkörpers zur Lotrichtung entsprechend geregelt, so erscheint das Bild des Zieses wegen der Ablenkung des Strahlstückes 1'' auch bei einer Neigung des Instrumentenkörpers im Fadenkreuz 7. Bei einer Neigung um den Winkel a des Instrumentes zur Waagrechten muss dabei zur Erfüllung der Selbst- einwägungsbedingung das Prisma 5 um einen Win kel ss geneigt werden.
Das Verhältnis
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hängt vom Ort des bewegten Bauteiles 5 im Instrument und von der Entfernung des Zieles ab. Bei konstantem
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muss das geregelte Bauteil im anallaktischen Punkt liegen.
Das schwenkbare optische Bauteil braucht nicht unbedingt, wie in Fig. 1 und 2 gezeichnet, ein Prisma zu sein. Es kann beispielsweise, wie in Fig. 3 gezeigt, auch aus einer planparallelen Glasplatte 37 bestehen. Bei Änderung der Neigung dieser Platte zum einfallenden Strahl erfährt der austretende Strahl dann eine entsprechend verschiedene Parallelver- schiebung.
Fig. 2a zeigt den Regelmechanismus eines selbst- einwägendem Nivelliers mit einer Drehschwinglage- rung. Die Drehschwinglagerung selbst und das ge regelte Bauteil, in diesem Falle das Prisma 5, sind der Deutlichkeit halber in Fig. 2b vergrössert darge stellt.
Für die folgenden Betrachtungen sollen die Fe dern 30 und 31 zuerst ausser acht gelassen werden. Das regelnde Bauteil 11, in dem das Prisma 5 gehaltert ist, wird auf der einen Seite von den Fäden oder Bändern 12, 13, die an der Blattfeder 14 be festig sind und auf der anderen Seite von einem Torsionsfaden oder Band 15 gehalten. Die Fäden 12, 13 sind dabei so angebracht, dass sie fast ge kreuzt sind, sich aber auch bei Drehungen des Teils 11 nicht berühren können.
Durch Verstellen der Tor sionskraft mittels der Rändelschraube 16 kann die Zielrichtung vom Beobachter bequem verstellt wer den. Betätigt man nämlich die Torsionsvorrichtung, dann ändert sich der Betrag, um den die Zugvor richtung 12, 13 aus der Nullage tordiert wird. Da mit ändert sich die Lage des Körpers 11 und die Zielrichtung. Die Stellvorrichtung 17, 18 für die Zugkraft K dient zur Einstellung der Selbsteinwä gungsbedingung.
Denn bekanntlich ändert sich bei der Drehschwinglagerung das Richtmoment auf den Körper, wenn die Zugkraft K geändert wird und damit ändert sich das Verhältnis von Man er reicht also damit, dass der Beobachter
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8 in beque mer Weise die Zielrichtung in grossem Bereich ein stellen und berichtigen kann, indem er die Tor sionsvorrichtung 15, 16 betätigt, und dass er die Selbsteinwägungsbedingung an vielen Messaufgaben anpassen und berichtigen kann, indem er die Stell vorrichtung 17 für die Zugkraft K bedient. Das regelnde Bauteil 11 wird auch bei starken Stössen auf das Instrument von der Drehschwinglagerung 12, 13, 15 stosssicher gehalten und ergibt fehlerfreie Messungen.
In Fig. 2b ist ausserdem eine Vorrichtung ein gezeichnet, die es gestattet, die Ruhelage des regeln den Bauteils 11 und somit die Zielrichtung messbar zu verändern. Diese Vorrichtung besteht aus einem Arm 32, der am Instrumentenkörper befestigt ist und der eine Blattfeder 33 trägt, die an der Mikro meterspindel 34 anliegt. Die Blattfeder 33 ist über die Schraubenfeder 36 mit dem regelnden Bauteil 11 verbunden. Beim Verstellen der Mikrometer spindel 34 ändert sich die Lage der Blattfeder 33 und damit also auch des Teils 11. Die Änderung der Lage des Bauteils 11 und damit der Ziehlinie kann an dem mit einer Teilung versehenen Drehknopf 35 an der Spindel 34 abgelesen werden.
Durch diese Vorrichtung kann also die planparallele Platte im Strahlengang eingespart werden, die bisher im all gemeinen zur Durchführung der Koinzidenzablesung Verwendung fand.
Selbstverständlich kann auch direkt an der Ein stellvorrichtung 16 des Torsionsfadens 15 eine ent sprechende Mikrometereinrichtung, z. B. ein Schnek- kentrieb vorgesehen werden.
Die Stellvorrichtung für die Zugkraft kann aus einer Schraubenspindel 18 bestehen, die in an sich bekannter Weise zwei gegenläufige Gewinde 19, 20 von nur wenig verschiedener Steigung trägt. Durch Drehen der Rändelschraube 17 lässt sich dadurch die Verschiebung des Körpers 21, der die Blattfeder 14 trägt, und damit dir, Spannung dieser Feder sehr fein einstellen.
Die Selbsteinwägungsbedingung kann nun bei Verschiebungen der Schaltlinse 3 und damit des anallaktischen Punktes auch automatisch nachge regelt werden. Die Zahnstange 22, durch die mit tels des Drehknopfes 23 und Zahnrades 24 die Hal terung 25 der Schaltlinse 3 verschoben wird, kann über einen Hebel 26, der in eine Lagerung 27 ein- greift, die Spindel 18 und damit, wie beschrieben, die Zugkraft nachstellen. Ferner kann durch das Zahnrad 28, das in die Zahnstange 22 eingreift, gleichzeitig die Torsionskraft nachgeregelt werden, so dass die Zielrichtung erhalten bleibt.
Das Zahnrad 28 und die Achse 29 der Torsions einrichtung sowie der Hebel 26 und die Spindel 18 sind vorzugsweise nicht starr verbunden, sondern nur aufgeklemmt, so dass unabhängig von der auto matischen Regelung eine Nachjustierung mittels der Rändelschrauben 16 und 17 möglich ist.
Eine automatische Nachstellung der Zug- und Torsionskraft ist auch dadurch möglich, dass der Halter 25 der Schaltlinse mit einer Feder 30 mit der Blattfeder 14 und mit einer weiteren Feder 31 mit dem regelnden Bauteil 11 verbunden ist. Bei Verschiebungen der Schaltlinse wird die Kraft K der Blattfeder mehr oder weniger kompensiert; die Federkonstante und die Geometrie der Anordnung können so gewählt werden, dass die Selbsteinwägungs bedingung erhalten bleibst. In ähnlicher Weise übt die Feder 31 ein mit der Verschiebung der Schalt linse wechselndes Drehmoment auf den Körper 11 aus, so dass die Torsionskraft des Fadens 15 mehr oder weniger kompensiert wird. Die Feder 30 kann also an die Stelle des Hebels 26 treten, die Feder 31 an die Stelle der Zahnradübersetzung 22, 28.
Wenn der Beobachter also das Instrument durch Betätigen der Stellschraube 23 scharf auf das Ziel einstellt, stellt er gleichzeitig eine bestimmte Kraft K und damit eine bestimmte Selbsteinwägungsbedingung ein. Die Drehschwinglagerung kann so bemessen wer den, dass sich das Instrument nach Fig. 2a bei jeder Zielweite selbsttätig einwägt, auch wenn das regelnde Bauteil ausserhalb des anallaktischen Punktes liegt.
In Fig. 4 ist :schematisch eine Anordnung ge zeigt, die bewirkt, dass im Gesichtsfeld gleichzeitig mit dem Ziel die Abbildung eines Ausschnittes des Horizontalkreises 38 erscheint. Dabei wird ein Aus- schnitt der Teilung des Horizontalkreises 38 durch eine Linse 40 und ein Umlenkprisma 29 in die Ebene der Strichplatte 6 abgebildet.
Fig. 5 zeigt ähnlich wie Fi:g. 3 eine Ausführungs form der Drehschwinglagerung nach Fig. 2b, bei wel cher jedoch anstelle der bifilaren eine mehrfädige Zugvorrichtung mit den Fäden oder Bändern 12, 13 und 13a vorgesehen ist, welche an der plan parallelen Glasplatte 37 einerseits und an der Blatt feder 14 anderseits angreifen.
Zweckmässigerweise wird das regelnde Bauteil gedämpft, damit das Gerät sich schnell einstellt und Regelschwingungen vermieden werden. Hierfür ist vor allem Luft- oder Wirbelstromdämpfung oder eine andere entsprechende geschwindigkeitsabhän- gige Dämpfungsart vorteilhaft.