DE102008060798B3

DE102008060798B3 - Einrichtung zur Durchführung tachymetrischer Winkel- und Streckenmessungen

Info

Publication number: DE102008060798B3
Application number: DE200810060798
Authority: DE
Inventors: Stefan Knoblach; Michael Möser
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (70) zur Durchführung von tachymetrischen Winkel- und Streckenmessungen mit einem Hängetachymeter (50), der sowohl in aufrechter als auch in hängender Position befestigbar ist. Die Aufgabe besteht darin, dass ohne Einschränkung des Sichtbereichs im vollen Vertikalwinkelbereich eine gleichzeitige Kompensation der Stehachsenneigung durchgeführt werden kann. Die Lösung besteht darin, dass ein Neigungssensorsystem (40) vorgesehen ist, das sich innerhalb des Hängetachymeters (50) befindet, wobei das Neigungssensorsystem (40) derart ausgebildet ist, dass es neben einer Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in aufrechter Position eine weitere Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in hängender Position des Hängetachymeters (50) ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchführung von tachymetrischen Winkel- und Streckenmessungen mit einem Hängetachymeter mit integriertem zweiachsigen Neigungssensor, ohne Einschränkung des Sichtbereichs und bei gleichzeitiger Kompensation der Stehachsenneigung, wobei die Messungen sowohl in aufrechter als auch hängender Position durchführbar sind.
Allgemein können mit einem herkömmlichen Tachymeter bauartbedingt keine Messungen zu Zielpunkten unterhalb des Gerätes durchgeführt werden. Der Sichtbereich des Tachymeters wird durch das Gehäuse des Tachymeters, den Dreifuß und das Stativ beschränkt.
Eine vertikale Punktübertragung von oben lässt sich durch optische Nadirlotung durchführen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass Zentrier- und Zielachsabweichungen des Lotinstruments direkt in die Genauigkeit der Punktübertragung eingehen. Mit diesem Verfahren lassen sich keine Strecken bestimmen.
Der horizontale Zielstrahl des Tachymeters kann durch ein Pentaprisma rechtwinklig abgelenkt und vertikal nach unten umgelenkt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist eine exzentrische Ziellinie.
Richtungsmessungen von oben ohne Einschränkung des Schwenkbereichs des Vertikalwinkels sind mit dem im Markscheidewesen bekannten Hängetheodolit möglich. Bei diesem Verfahren besteht keine Kompensation der Stehachsenneigung. Es ist auch keine Steckenmessung möglich.
Das gleiche Problem ist auch in der Druckschrift DE 198 02 379 A1 beschrieben, wobei dort ein Vermessungsgerät zur Bestimmung der eigenen Höhenlage angegeben ist. Das Vermessungsgerät besteht aus einem Tachymeter, in dessen Hauptgehäuse eine vertikale Lichtdurchgangsöffnung ausgebildet ist. Die Lichtdurchgangsöffnung setzt sich auch durch den Dreifuß und das Stativ hindurch fort. Durch die Lichtdurchgangsöffnung hindurch können tachymetrische Messungen nach unten durchgeführt werden. Der Nachteil des Verfahrens ist der durch die Größe der Lichtdurchgangsöffnung stark beschränkte Messbereich des Tachymeters nach unten.
In der Druckschrift JP 2008008765 wird ein Verfahren zur Vortriebsteuerung beschrieben, mit welchem Richtungsmessungen von oben mit Kompensation der Stehachsenneigung möglich sind. Das Verfahren ist auf die Vortriebsteuerung spezialisiert. Der Schwenkbereich des Vertikalwinkels ist durch das Gehäuse nach oben beschränkt und es sind keine Streckenmessungen möglich.
Eine Einrichtung zur Lage- und Richtungsbestimmung von Kanalein- und Kanalabläufen in Abwassersystemen wird in der Druckschrift DE 102 18 441 C1 beschrieben. Die Einrichtung zur tachymetrischen Messung von oben ist als Tachymeteraufsatz ausgebildet und stellt ein Zusatzinstrument zum herkömmlichen Tachymeter dar. Der horizontale Zielstrahl des Tachymeters wird über ein Spiegelsystem, bestehend aus drei Orthogonalspiegeln, in einen lotrechten Strahl koaxial zur Stehachse umgelenkt. Ein Spezialstativ ermöglicht freie Sicht nach unten. Wird der Vertikalkreis des Tachymeters aus der Horizontalen geschwenkt, dann schwenkt der nach unten aus dem Tachymeteraufsatz austretende Zielstrahl um denselben Winkelbetrag aus der Vertikalen. Die Distanzmessung ist durch den Tachymeteraufsatz hindurch möglich. Der Nachteil der Einrichtung ist, dass der Schwenkbereich des Vertikalwinkels konstruktionsbedingt auf ± 1 gon beschränkt ist.
Eine Einrichtung zur Durchführung von Winkel- und Streckenmessungen mit einem Hängetachymeter ist in der Druckschrift: Knoblach, Möser: Messungen mit einem Tachymeter in hängender Position, Schriftenreihe des Instituts für Markscheidewesen und Geodäsie an der TU Bergakademie Freiberg, Heft 2007-2, 2007, beschrieben, wobei unter Verwendung eines externen Neigungssensors tachymetrische Messungen im vollen Vertikalwinkelbereich ohne Einschränkung und bei gleichzeitiger Kompensation der Stehachsenneigung möglich sind.
Die Einrichtung 60 mit dem Hängetachymeter 1 und dem dazu externen Neigungssensor 10 sind in den 1 und 2 dargestellt.
1 stellt einen Querschnitt der Einrichtung 60 zur Winkel- und Streckenmessung mit einem Hängetachymeter 1, einem externen Neigungssensor 10 und einem Zenitlot 25 dar. Der Aufbau ist derart angegeben, dass der externe Neigungssensor 10 zur Kompensation der Reststehachsenneigung (Neigungskompensator) des Hängetachymeters 1 verwendet wird. Bei dem darin realisierten Verfahren wird der herkömmliche Tachymeter 1 in hängender Position verwendet, der stabil mit einer Aufhängevorrichtung 2 verbunden ist.
In 2 ist der externe Neigungssensor 10 im Querschnitt dargestellt. Die Befestigung 3 zum Tachymeter 1 kann mittels einer Verriegelung 4 verriegelt oder gelöst werden. Die Aufhängevorrichtung 2 kann über eine Gewindebohrung 5 an einer Konsole 6 oder einem Stativ befestigt werden. Zur Horizontierung des Hängetachymeters 1 befinden sich auf der Oberseite der Aufhängevorrichtung 2 Höhenstellschrauben 7. Eine Dosenlibelle 8 dient der Grobhorizontierung. Den Mittelteil der Aufhängevorrichtung 2 stellt ein Gehäuse 9 zur Aufnahme des externen zweiachsigen Neigungssensors 10 dar.
Der zweiachsige Neigungssensor 10 ermöglicht das gleichzeitige präzise Messen von Neigung und Neigungsrichtung. Er arbeitet nach dem Prinzip des Flüssigkeitshorizonts. Das neigungsempfindliche Element ist die Oberfläche 11 einer transparenten Flüssigkeit 12 in einem geschlossenen Behälter 13. Im Neigungssensor 10 befinden sich, ebenfalls fest verbunden mit dem Behälter 13, eine Leuchtdiode 14, ein Linsensystem 15 und ein positionsempfindlicher Photodetektor 53. Der von der Leuchtdiode 14 ausgesendete Lichtstrahl 17 wird über das Linsensystem 15 durch die transparente Flüssigkeit 12 hindurch auf den Photodetektor 53 abgebildet. Dabei liegt die infolge von Totalreflexion als Spiegel wirkende Oberfläche 11 ebenfalls im Strahlengang. Wird nun der Hängetachymeter 1 geneigt, erreicht der von der Diode 14 ausgesendete Lichtstrahl 17 den Photodetektor 53 an einem anderen Auftreffpunkt. Aus der Position des Auftreffpunktes kann der Neigungswinkel bestimmt werden. Der externe Neigungssensor 10 verfügt über eine digitale Datenschnittstelle 18. Die Neigungswerte werden über einen externen Rechner 19 ausgelesen.
Zur Kompensation der Reststehachsenneigung des Hängetachymeters 1 wird der externe Neigungssensor 10, wie in 1 gezeigt, verwendet. Durch die stabile Verbindung zwischen dem Hängetachymeter 1 und dem externen Neigungssensor 10 entspricht eine Änderung der Neigungswerte des externen Neigungssensors 10 einer Änderung der Neigung der Stehachse 23 des Hängetachymeters 1. Der Hängetachymeter 1 ist um seine Stehachse 23 drehbar gelagert. Um die mit dem externen Neigungssensor 10 registrierte Richtung der Neigung auf den Hängetachymeter 1 zu übertragen, ist an der Aufhangevorrichtung 2 ein Richtungslaser 20 befestigt. Der Richtungslaser 20 ist in Richtung einer der beiden X, Y-Neigungsrichtungen des externen Neigungssensors 10 horizontal ausgerichtet. Zur Richtungsübertragung wird das Zielfernrohr 26 des Hängetachymeters 1 in die vom Richtungslaser 20 projizierte Richtung 21 ausgerichtet und deren Wert am Horizontalteilkreis des Hängetachymeters 1 abgelesen.
Auf Grund der Fertigung kann ein restlicher Winkel zwischen der am externen Neigungssensor 10 registrierten Neigung der Stehachse 23 des Hängetachymeters 1 und seiner tatsächlichen Neigung nicht vermieden werden. Diese Abweichung muss bestimmt und an die vom externen Neigungssensor 10 gelieferten X-Y-Werte als Korrektur angebracht werden.
Hierzu wird in beiden X, Y-Achsenrichtungen des externen Neigungssensors 10 der Winkel α 22 zwischen der Tachymeterstehachse 23 und der lokalen Lotrichtung 24 bestimmt. Die Lotrichtung 24 wird mit Hilfe des Zenitlotes 25 realisiert und die Zielachse 48 des Hängetachymeters 1 durch Kollimation des Zielfernrohres 26 parallel zu dieser ausgerichtet. Die tatsächliche Neigung der Stehachse 23 entspricht der Differenz zwischen dem registrierten Winkel α und einem Halbkreis. Dabei werden die X, Y-Messwerte des externen Neigungssensors 10 registriert. Die Korrekturen des externen Neigungssensors 10 ergeben sich als Differenz zwischen angezeigter Neigung und tatsächlicher Neigung in der entsprechenden Richtung.
Ein Problem der Einrichtung 60 besteht darin, dass zur Kalibrierung des externen Neigungssensors 10 eine externe Referenz der Lotrichtung 24 benötigt und der hierdurch bedingte Arbeitsaufwand erhöht wird. Zudem wird aufwändigerweise zum Hängetachymeter 1 die Aufhängevorrichtung 2 mit dem externen Neigungssensor 10 benötigt.
Eine perspektivische Detail-Ausführung eines Neigungssensors 54 bei einem herkömmlichen Tachymeter 1 ist in 3 dargestellt. Der Neigungssensor 54 funktioniert nach dem oben bereits beschriebenen Prinzip des Flüssigkeitshorizonts. Mit einem von der Leuchtdiode 14 erzeugten Lichtstrahl 17 wird über eine im Strahlengang platzierte Streifenmusterschablone 30 ein Streifenmuster 28 auf einen photoempfindlichen Zeilendetektor 16 projiziert. Das Streifenmuster 28 ist derart ausgeprägt, dass es sich, wie in 3 dargestellt, auf einer Seite verjüngt. Das neigungsempfindliche Element des Neigungssensors 54 ist die Oberfläche 11 der transparenten Flüssigkeit 12 in einem geschlossenen Behälter 13 – in 3 nicht gezeigt –, wobei sich die Oberfläche 11 unabhängig von der Neigung des Tachymeters 1 horizontal ausrichtet. Der von der Leuchtdiode 14 ausgesendete Lichtstrahl 17 wird über ein Linsensystem 15 durch einen Glaskörper 33 und die Flüssigkeit 12 hindurch auf einem photoempfindlichen Zeilendetektor 16 abgebildet. Dabei liegen sowohl die infolge von Totalreflexion 42, 43 als Spiegel wirkende Unterfläche 29 des Glaskörpers 33 als auch die Oberfläche 11 ebenfalls im Strahlengang. Der Lichtstrahl 17 wird auch an der verspiegelten Rückfläche 35 des Glaskörpers 33 reflektiert. In den Bereichen des Lichtstrahls 17, welche durch das Streifenmuster 28 ausgespart werden, trifft kein Licht auf den Zeilendetektor 16. Die Neigung des Neigungssensors 54 und somit des Tachymeters 1 wird über die Position des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 bestimmt. Wird der Neigungssensor 54 rechtwinklig zur Längsachse 31 des Glaskörpers 33 geneigt, verändert sich die Position des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 in Richtung dessen Längsachse 32. Wird der Neigungssensor 54 in Richtung der Längsachse 31 des Glaskörpers 33 geneigt, verändert sich die Position des abgebildeten Streifenmusters 16 auf dem Zeilendetektor 16 rechtwinklig zu dessen Längsachse 32. Das abgebildete Streifenmuster 36 wird somit schmaler oder breiter. Die Position als auch die Größe des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 sind folglich proportional zur Neigung des Neigungssensors 54 und somit des Tachymeters 1. In hängender Position ist der dargestellte Neigungssensor 54 nicht funktionsfähig, da die sich im geschlossenen Behälter 13 befindliche transparente Flüssigkeit 12 und die Luftschicht 37 ihre Positionen umkehren und somit keine Reflektion des Lichtstrahls 17 an der Oberfläche 11 erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung tachymetrischer Winkel- und Streckenmessungen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass ohne Einschränkung des Sichtbereichs im vollen Vertikalwinkelbereich eine gleichzeitige Kompensation der Stehachsenneigung durchgeführt wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Einrichtung zur Durchführung von tachymetrischen Winkel- und Streckenmessungen ist mit einem Hängetachymeter ohne Einschränkung des Sichtbereichs und bei gleichzeitiger Kompensation der Stehachsenneigung versehen, wobei der Hängetachymeter sowohl in aufrechter als auch in hängender Position befestigbar ist,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
ein Neigungssensorsystem vorgesehen ist, das sich innerhalb des Hängetachymeters befindet,
wobei das Neigungssensorsystem derart ausgebildet ist, dass es neben einer Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse in aufrechter Position eine weitere Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse in hängender Position des Hängetachymeters ermöglicht.
Dadurch wird zur Kalibrierung des Neigungssensorsystems keine externe Referenz der Lotrichtung benötigt.
Das Neigungssensorsystem kann zwei Neigungssensoren enthalten, von denen der eine Neigungssensor in aufrechter Position des Hängetachymeters eine Messung zur Neigungsbestimmung der Stehachse in aufrechter Position und der andere Neigungssensor in hängender Position des Hängetachymeters eine zweite Messung zur Neigungsbestimmung der Stehachse in hängender Position durchführt.
Das innerhalb des Hängetachymeters befindliche Neigungssensorsystem kann einen einzelnen Neigungssensor enthalten, mit dem die beiden Messungen zur Neigungsbestimmung der Stehachse in aufrechter Position als auch in hängender Position des Hängetachymeters durchführbar sind.
Der in aufrechter Position wie in hängender Position des Hängetachymeters interne Neigungssensor ist derart in den Hängetachymeter integriert, dass die neigungsempfindlichen X, Y-Achsen des Neigungssensors zum einen in Richtung seines Vertikalkreises und zum anderen in Richtung seiner Kippachse ausgerichtet sind.
Ein in den Hängetachymeter integriert eingebauter Neigungssensor kann zumindest aufweisen

– einen Glaskörper,
– einen auf dem Glaskörper aufgesetzten, geschlossenen Behälter mit einem Luftraum und einer transparenten Flüssigkeit, deren Dichte der Dichte des Glaskörpers entspricht, wobei außerhalb des Behälters
– eine Leuchtdiode,
– ein Linsensystem und
– ein positionsempfindlicher Zeilendetektor vorhanden sind, die mit dem Behälter fest verbunden sind, wobei ein von der Leuchtdiode ausgesendeter Lichtstrahl über ein Linsensystem durch die transparente Flüssigkeit des Behälters hindurch auf den Zeilendetektor nach mehrfacher Totalreflexion geführt ist, wobei zumindest an der Flüssigkeitsoberfläche eine Totalreflexion erfolgt, wobei bei einer Neigung des Hängetachymeters aus der Größe und Position des Auftreffpunktes auf dem Zeilendetektor der Neigungswinkel und die Neigungsrichtung bestimmbar sind,

Der von der Leuchtdiode ausgesendete Lichtstrahl projiziert ein Streifenmuster eines zwischen der Leuchtdiode und dem Linsensystem befindlichen Prismas auf den photoempfindlichen Zeilendetektor.
Sowohl aus der Position als auch aus der Größe des abgebildeten Streifenmusters auf dem Zeilendetektor sind die Neigung und Neigungsrichtung des internen Neigungssensors und somit die Neigung und Neigungsrichtung der Stehachse des Hängetachymeters ableitbar.
Die Flüssigkeit kann Silikonöl sein und die zum Luftraum gerichteten Oberflächen des Silikonöls fungieren je nach Position des jeweiligen Behälters als neigungsempfindliche Elemente.
Bei einem Wechsel der Position des Hängetachymeters von einer aufrechten Position in die hängende Position und damit des Neigungssensors kehren die sich in den Behältern befindlichen transparenten Flüssigkeiten und Lufträume schwerkraftbedingt ihre Positionen um.
Der interne Neigungssensor ist fest mit dem Hängetachymeter verbunden und dreht sich bei einer Drehung des Hängetachymeters um dessen Stehachse mit.
Die Halterungseinrichtung des Hängetachymeters kann ein Dreifuß, eine Konsole oder ein Stativ mittels einer Befestigung sein.
Mit der Erfindung wird das Problem der Kompensation der Stehachsenneigung des Tachymeters in hängender Position gelöst, indem der Tachymeter um einen in hängender Position funktionsfähigen internen Neigungssensor ergänzt wird. Eine besonders vorteilhafte Lösung wird erreicht, indem der interne Neigungssensor um die Funktion der Neigungsbestimmung in hängender Position ergänzt wird.
Die Erfindung ermöglicht es, dass der Funktionsumfang eines herkömmlichen Tachymeters dahingehend erweitert wird, dass mit dem neu vorgeschlagenen Hängetachymeter tachymetrische Winkel- und Streckenmessungen bei gleichzeitiger Kompensation der Stehachsenneigung auch in hängender Position möglich sind, ohne hierzu einen externen Neigungssensor zu verwenden.
Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung zur Durchführung von Winkel- und Streckenmessungen nach dem Stand der Technik in einer schematischen Schnittdarstellung,
2 eine vergrößerte Darstellung des externen Neigungssensors der Einrichtung nach 1,
3 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der optischen Elemente eines in einen Tachymeter integrierten Neigungssensors nach dem Stand der Technik,
4 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung von Winkel- und Streckenmessungen mit einem Hängetachymeter in hängender Position mit einem internen Neigungssensor in einer schematischen Schnittdarstellung,
5 Schnittdarstellungen des internen Neigungssensors nach 4, wobei
5a die aufrechte Position des internen Neigungssensors in aufrechter Position des Hängetachymeters – aufrechte Position –,
5b die hängende Position des internen Neigungssensors in hängender Position des Hängetachymeters – hängende Position –
zeigen,
6 horizontale Schnittdarstellungen des Hängetachymeters der erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei
6a die Lage I und
6b die um 180 Grad um die Stehachse des Hängetachymeters gedrehte Lage II
zeigen.
In 4 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Einrichtung 70 zur Durchführung von Winkel- und Streckenmessungen mit einem Hängetachymeter 50 und mit einem integrierten Neigungssensor 40 dargestellt, wobei der Hängetachymeter 50 mit einer Konsole 6 in Verbindung steht, der ein umgekehrter Dreifuß 46 zugeordnet ist, an der der Hängetachymeter 50 in hängender Position befestigt ist, wobei eine Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse 23 in hängender Position durchführbar ist.
Erfindungsgemäß ist der Hängetachymeter 50 mit einer Befestigung 3 ausgebildet, mit denen der Hängetachymeter 50 sowohl in hängender Position als auch in aufrechter Position – nicht dargestellt – an einer Halterungseinrichtung 6 befestigbar ist, wobei ein Neigungssensorsystem 40 vorgesehen ist, das sich innerhalb des Hängetachymeters 50 befindet, wobei das Neigungssensorsystem 40 neben einer Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse 23 in aufrechter Position eine weitere Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse 23 in der um einen Winkel von 180° in der Vertikalen gedrehten, hängenden Position des Hängetachymeters 50 ermöglicht.
Das in 4 dargestellte, innerhalb des Hängetachymeters 50 befindliche Neigungssensorsystem 40 besteht aus einem einzelnen Neigungssensor, mit dem die beiden Messungen zur Neigungsbestimmung der Stehachse 23 in aufrechter Position als auch in hängender Position des Hängetachymeters 50 durchführbar sind.
Der Hängetachymeter 50 wird in aufrechter Position und in hängender Position an der Halterungseinrichtung 6, z. B. einer Konsole 6, einem Stativ oder ähnlichem mittels einer Befestigung 3 befestigt. Über Höhenstellschrauben 7 kann die Einrichtung 70 horizontiert werden. Der in aufrechter Position wie in hängender Position funktionsfähige zweiachsige interne Neigungssensor 40 wird so in den Hängetachymeter 50 integriert, dass seine neigungsempfindlichen X, Y-Achsen zum einen in Richtung seines Vertikalkreises und zum anderen in Richtung seiner Kippachse ausgerichtet sind. Der Hängetachymeter 50 ist um seine Stehachse 23 über ein Drehlager 47 drehbar gelagert. Da sich der interne Neigungssensor 40 innerhalb des Hängetachymeters 50 befindet, dreht sich der interne Nei gungssensor 40 bei einer Drehung des Hängetachymeters 50 mit diesem um dessen Stehachse 23.
Das Neigungssensorsystem kann auch mindestens zwei voneinander getrennt benachbarte oder weiter beabstandete Neigungssensoren enthalten (nicht eingezeichnet), von denen zumindest der eine Neigungssensor in aufrechter Position des Hängetachymeters 50 eine Messung zur Neigungsbestimmung der Stehachse 23 in aufrechter Position und zumindest der andere Neigungssensor in vertikal verdreht hängender Position des Hängetachymeters 50 eine zweite Messung zur Neigungsbestimmung der Stehachse 23 in hängender Position durchführt.
In 5a ist das Neigungssensorsystem 40 mit einem einzigen Neigungssensor dargestellt, wobei der in den Hängetachymeter 50 integriert eingebaute Neigungssensor 40 zumindest aufweist

– einen Glaskörper 33,
– einen auf dem Glaskörper 33 aufgesetzten, geschlossenen Behälter 13 mit einem Luftraum 37 und einer transparenten Flüssigkeit 12, deren Dichte der Dichte des Glaskörpers 33 entspricht, wobei außerhalb des Behälters 13
– eine Leuchtdiode 14,
– ein Linsensystem 15 und
– ein positionsempfindlicher Zeilendetektor 16 vorhanden sind, die mit dem Behälter 13 in fester Verbindung stehen, wobei ein von der Leuchtdiode 14 ausgesendeter Lichtstrahl 17 über ein Linsensystem 15 durch die transparente Flüssigkeit 12 des Behälters 13 hindurch auf den Zeilendetektor 16 nach mehrfacher Totalreflexion 42, 43, 43, 42 geführt ist, wobei zumindest an der Flüssigkeitsoberfläche 11 eine Totalreflexion 43 erfolgt, wobei bei einer Neigung des Hängetachymeters 50 aus der Verschiebung und Größenänderung des Auftreffpunktes 52 auf dem Zeilendetektor 16 die Neigungswinkel- und die Neigungsrichtungsänderung bestimmbar sind,

40

38

29

33

12

39

12

33

38

13

Bei einem Wechsel der Position des Hängetachymeters 50 von einer aufrechten Position in die hängende Position und damit des Neigungssensors 40 kehren die sich in den Behältern 13, 38 befindlichen Flüssigkeiten 12 und Lufträume 37, 39 schwerkraftbedingt ihre Positionen um.
Der erfindungsgemäße Neigungssensor 40 des Hängetachymeters 50 ist in zwei Positionen zur Kompensation der Stehachsenneigung in 5a und 5b dargestellt.
Der Inhalt des zweiten Behälters 38 besteht wie bei dem an der Oberfläche 34 des Glaskörpers 33 befindlichen ersten Behälter 13 zum einen aus einer transparenten Flüssigkeit 12 und zum anderen aus Luft in einem zweiten Luftraum 39. Die transparente Flüssigkeit 12 kann aus Silikonöl bestehen. In aufrechter Position, wie in 5a gezeigt ist, ist die Funktionsweise des internen Neigungssensors 40 übereinstimmend mit der des herkömmlichen Neigungssensors 54 in 3.
Wie in 5a gezeigt ist, projiziert der von der Diode 14 ausgesendete Lichtstrahl 17 das Streifenmuster 28 des Prismas 27 auf den photoempfindlichen Zeilendetektor 16. Der Lichtstrahl 17 durchläuft das Linsensystem 15 und den Glaskörper 33 und an dessen Unterfläche 29 erfolgt eine Totalreflexion 42. Die Totalreflexion 42 erfolgt, da der Lichtstrahl 17 aus einem optisch dichteren Medium, dem Glaskörper 33, kommt und auf die Unterfläche 29 – eine Grenzfläche zum optisch dünneren Medium Luft im Luftraum 39 – fällt und der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Die sich in dem unteren zweiten Behälter 38 befindliche transparente Flüssigkeit 12 fließt in aufrechter Position des internen Neigungssensors 40 aufgrund der Schwerkraft auf den Grund des zweiten Behälters 38. Die Luft steigt in den oberen Bereich des unteren zweiten Behälters 38 und bildet den zweiten Luftraum 39. Die Materialeigenschaften des Glaskörpers 33 und der transparenten Flüssigkeit 12 sind so gewählt, dass keine Rückstände auf dem Glaskörper 33 verbleiben. Die Grenzfläche 29 zwischen dem Glaskörper 33 und dem zweiten Behälter 38 verhält sich für den Lichtstrahl 17 daher wie ein ebener Spiegel.
Anschließend durchläuft der Lichtstrahl 17 den Glaskörper 33 nach oben und trifft auf die Grenzfläche 34 zwischen dem Glaskörper 33 und dem oberen ersten Behälter 13. Die sich im oberen ersten Behälter 13 befindliche transparente Flüssigkeit 12 befindet sich bei aufrechter Position des Neigungssensors 40 auf dem Grund des oberen Behälters 13. Die Oberfläche 11 der transparenten Flüssigkeit 12 richtet sich aufgrund der Schwerkraft, unabhängig von der Neigung des internen Neigungssensors 40, im Rahmen des Arbeitsbereichs des internen Neigungssensors 40 horizontal aus. Die Oberfläche 11 der transparenten Flüssigkeit 12 fungiert somit als neigungsempfindliches Element. Die Materialeigenschaften der transparenten Flüssigkeit 12 und des Glaskörpers 33 sind so gewählt, dass beide die gleiche optische Dichte besitzen. Der Glaskörper 33 und die transparente Flüssigkeit 12 wirken für den Lichtstrahl daher wie ein einheitlicher Körper. Es ergibt sich somit keine Ablenkung des Lichtstrahls 17 an der Grenzfläche 34 zwischen Glaskörper 33 und transparenter Flüssigkeit 12. Anschließend durchläuft der Lichtstrahl 17 die transparente Flüssigkeit 12 und wird an dessen Unterseite der Oberfläche 11 durch eine zweite Totalreflexion 43 reflektiert. Die zweite Totalreflexion 43 erfolgt wiederum, da der Lichtstrahl 17 aus einem optisch dichteren Medium 12 kommt und auf die Grenzfläche 11 zu einem optisch dünneren Medium – Luft im ersten Luftraum 37 – fällt und der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.
Die Rückfläche 35 des Glaskörpers 33 ist verspiegelt. Der Lichtstrahl 17 wird an der Rückfläche 35 reflektiert und gelangt wieder in der bereits beschriebenen Weise über die beiden Totalreflexionen 43, 42 zur Vorderfläche 41 des Glaskörpers 33. Der Lichtstrahl 17 tritt aus dem Glaskörper 33 aus und trifft über das Linsensystem 15 auf den photoempfindlichen Zeilendetektor 16. Aus der Position und aus der Größe des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 leitet sich die Neigung des internen Neigungssensors 40 und somit die Neigung des Hängetachymeters 50 ab.
Die hängende Position des internen Neigungssensors 40 ist in 5b dargestellt, wobei die hängende Position durch eine Drehung des Neigungssensors 40 in der Vertikalen um 180° gemeinsam mit dem Hängetachymeter 50 erreicht wird.
Die hängende Position des Hängetachymeters 50 wird durch Lösen des Hängetachymeters 50 aus der aufrechten und durch Umkehrung des Hängetachymeters 50 um 180° in der Vertikalen sowie durch erneutes Befestigen des Hängetachymeters 50 in hängender Position erreicht.
Die sich in den Behältern 13, 38 befindlichen transparenten Flüssigkeiten 12 und Luftschichten 37, 39 kehren dabei ihre Positionen um. Der sich vormals unterhalb des Glaskörpers 33 befindliche zweite Behälter 38 befindet sich nun verdreht vertikal nach oben gerichtet und der vormals oberhalb des Glaskörpers 33 befindliche erste Behälter 13 befindet sich nun verdreht vertikal nach unten gerichtet. Aufgrund der Schwerkraft fließen die transparenten Flüssigkeiten 12 in beiden Behältern 13, 38 auf deren Grund. An der Grenzfläche 29 zwischen dem Glaskörper 33 und dem zweiten Behälter 38 trifft der Lichtstrahl 17 nun auf die transparente Flüssigkeit 12. Da beide Materialien – Glas und transparente Flüssigkeit – die gleiche optische Dichte aufweisen, durchläuft der Lichtstrahl 17 diese Grenzfläche 29 ohne Brechung und trifft unterseitig an die Flüssigkeitsoberfläche 11, welche sich unabhängig von der Neigung des internen Neigungssensors 40 bzw. des Hängetachymeters 50 im Arbeitsbereich des internen Neigungssensors 40 horizontal ausrichtet. In hängender Position besteht das neigungsempfindliche Element des internen Neigungssensors 40 aus der Flüssigkeitsoberfläche 11 im zweiten Behälter 38. Bedingt durch den optischen Dichteunterschied zwischen der transparenten Flüssigkeit 12 im zweiten Behälter 38 und der sich darüber befindlichen zweiten Luftschicht 39 wird der Lichtstrahl 17 an der Flüssigkeitsoberfläche 11 als Totalreflexion 44 reflektiert und durchläuft anschließend sowohl die transparente Flüssigkeit 12 als auch den Glaskörper 33 nach unten.
Da sich die transparente Flüssigkeit 12 im ersten Behälter 13 rückstandslos vom Glaskörper 33 gelöst hat, verhält sich die Grenzfläche 34 zwischen dem Glaskörper 33 und dem ersten Behälter 13 für den Lichtstrahl 17 wie ein ebener Spiegel. Der Lichtstrahl 17 wird in Totalreflexion 45 reflektiert und trifft anschließend auf die verspiegelte Rückfläche 35 des Glaskörpers 33, wo er ebenfalls reflektiert wird. Der Lichtstrahl 17 gelangt über die beschriebenen Totalreflexionen 45, 44 in umgekehrter Reihenfolge wieder zur Vorderfläche 41 des Glaskörpers 33, verlässt diesen und trifft über das Linsensystem 15 auf den photoempfindlichen Zeilendetektor 16.
Die Neigung des internen Neigungssensors 40 und somit des Hängetachymeters 50 wird auch in hängender Position über die Lage des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 bestimmt. Wird der interne Neigungssensor 40 rechtwinklig zur Längsachse 31 des Glaskörpers 33 geneigt, verändert sich die Position des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 in Richtung zu dessen Längsachse 32. Wird der interne Neigungssensor 40 in Richtung der Längsachse 31 des Glaskörpers 33 geneigt, verändert sich die Position des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 rechtwinklig zu dessen Längsachse 32. Das abgebildete Streifenmuster 36 wird somit schmaler oder breiter. Die Position als auch die Größe des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 sind folglich proportional zur Neigung des internen Neigungssensors 40 und somit des Hängetachymeters 50.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung 70 liegt dann, dass sich der herkömmliche interne Neigungssensor 54 und der auch in hängender Position funktionsfähige erfindungsgemäße interne Neigungssensor 40 zwar nur gering in ihren Ausmaßen unterscheiden, aber durch die Anbringung eines zweiten Behälters 38 an den Glaskörper 33 mit einem zweiten neigungsempfindlichen Element eine wesentliche technische Verbesserung darstellt. Eine Integration des in aufrechter und hängender Position funktionsfähigen internen Neigungssensors 40 in den Hängetachymeter 50 ist durch die Anbindung des wenig material- und platzaufwendigen zweiten Behälters 38 möglich.
Um mit dem internen Neigungssensor 40 die tatsächliche Neigung der Stehachse 23 des Hängetachymeters 50 zu bestimmen, ist der Hängetachymeter 50 zu kalibrieren. Hierzu muss eine Positionsänderung als auch eine Größenänderung des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16 in Relation zu einer tatsächlichen Neigungsänderung gesetzt werden. Die Relationszuordnung ist nur einmalig durchzuführen und wird im Labor bestimmt. Des Weiteren sind die Position als auch die Größe des abgebildeten Streifenmusters 36 auf dem Zeilendetektor 16, d. h. die entsprechenden Neigungswerte auf beiden X, Y-Neigungsachsen, zu bestimmen, für die die Stehachse 23 des Hängetachymeters 50 sich parallel zur lokalen Lotlinie 24 ausrichtet. Dies wird im Folgenden als die Nullpunktjustierung des internen Neigungssensors 40 bezeichnet. Die Kalibrierwerte werden durch äußere Einflüsse, wie z. B. Temperaturänderungen, beeinflusst und sind nicht stabil. Sie sind daher vor dem Beginn jeder Messung bzw. bei einer Änderung der äußeren Einflüsse neu zu bestimmen oder zu überprüfen.
Die Nullpunktjustierung des internen Neigungssensors 40 in der Einrichtung 70 erfolgt durch eine Umschlagsmessung des Hängetachymeters 50. Das zugehörige Messverfahren folgt für die aufrechte Position und für die hängende Position des Hängetachymeters 50 dem gleichen Prinzip.
Aus 6 kann das Messverfahren durch einen horizontalen Schnitt durch den Hängetachymeter 50 erfasst werden. Zur Bestimmung oder zur Überprüfung der Nullpunktjustierung wird die Stehachse 23 des Hängetachymeters 50 annähernd parallel zur lokalen Lotlinie 24 in Form einer Grobhorizontierung ausgerichtet. Der interne Neigungssensor 40 befindet sich in seinem Arbeitsbereich. Die Vertikalkreisebene bzw. die Zielachse 48 des Hängetachymeters 50 zeigt in eine beliebige Richtung. Diese Ausrichtung des Hängetachymeters 50 wird als Lage I bezeichnet. Die Y-Achse des internen Neigungssensors 40 in Richtung zur Zielachse 48 des Hängetachymeters 50 zeigt in Lage I den Neigungswert Y_NI 49 an. Die X-Achse des internen Neigungssensors 40 rechtwinklig zur Zielachse 48 des Hängetachymeters 50 zeigt in Lage I den Neigungswert X_NI 51 an. Die Neigungswerte 49, 51 des Neigungssensors 40 sind in 6 nur zur schematischen Darstellung als Röhrenlibellen dargestellt. Die Neigungswerte Y_NI 49 und X_NI 51 werden registriert. Danach wird der Hängetachymeter 50 um 180° um seine Stehachse 23 in die Lage II gedreht. In Lage II zeigt die Y-Achse des internen Neigungssensors 40 in Richtung zur Zielachse 48 des Hängetachymeters 50 den Neigungswert Y_NII 49 und die X-Achse des internen Neigungssensors 40 rechtwinklig zur Zielachse des Hängetachymeters 50 den Neigungswert X_NII 51 an. Durch Mittelung der beiden X-Messwerte X_NI, X_NII wird die X- Nullpunktabweichung, durch Mittelung der Y-Messwerte Y_NI, Y_NII die Y-Nullpunktabweichung bestimmt.
Die Kalibrierwerte des Hängetachymeters 50 müssen jeweils für die aufrechte Position, die der 5a entspricht, und für die hängende Position, die der 5b entspricht, separat bestimmt werden.
Der erfindungsgemäße Hängetachymeter 50 mit dem internen Neigungssensor 40 bietet gegenüber dem bekannten Hängetachymeter 1 mit dem externen Neigungssensor 10 wesentliche Vorteile:
So wird zur Stehachsenneigungskompensation des Hängetachymeters 50 kein externer Neigungssensor 10 benötigt. Eine mögliche Instabilität bei der Verbindung zwischen externem Neigungssensor 10 und dem Tachymeter 1 gemäß dem Stand der Technik entfällt. Zur Kalibrierung des internen Neigungssensors 40 wird keine externe Referenz der lokalen Lotlinie 24 – Zenitlot 25 – benötigt. Bei dem erfindungsgemäßen Hängetachymeter 50 mit internem Neigungssensorsystem 40 oder mit internem Neigungssensor mit zwei neigungsempfindlichen Behältern 13, 39 ist keine manuelle Anzielung erforderlich. Hierdurch wird der Zeitaufwand der Kalibrierung enorm reduziert und deren Genauigkeit erhöht. Bei Verwendung eines motorisierten Hängetachymeters 50 kann die Kalibrierung des Neigungssensors 40 vollkommen automatisiert werden. Zur Verarbeitung der Neigungswerte eines internen Neigungssensors 40 wird kein externer Rechner benötigt. Die Verarbeitung erfolgt, wie bei einem herkömmlichen Tachymeter, über dessen Systemsoftware.

1: Hängetachymeter nach dem Stand der Technik
2: Aufhängevorrichtung
3: Befestigung
4: Verriegelung
5: Gewindebohrung
6: Konsole
7: Höhenstellschrauben
8: Dosenlibelle
9: Gehäuse
10: externer Neigungssensor
11: Oberfläche der transparenten Flüssigkeit
12: transparente Flüssigkeit
13: Behälter
14: Leuchtdiode
15: Linsensystem
16: Zeilendetektor
17: Lichtstrahl
18: Datenschnittstelle
19: Rechner
20: Richtungslaser
21: Richtung
22: Winkel α
23: Stehachse
24: Lotrichtung
25: Zenitlot
26: Zielfernrohr
27: Prisma
28: Streifenmuster
29: Unterfläche des Glaskörpers
30: Streifenmusterschablone
31: Längsachse
32: Längsachse
33: Glaskörper
34: Oberfläche des Glaskörpers
35: Rückfläche des Glaskörpers
36: abgebildetes Streifenmuster
37: Luftraum
38: Behälter
39: Luftraum
40: interner Neigungssensor
41: Vorderfläche des Glaskörpers
42: Totalreflexion
43: Totalreflexion
44: Totalreflexion
45: Totalreflexion
46: Dreifuß
47: Drehlager
48: Zielachse
49: Neigungswert der Y-Achse des internen Neigungssensors
50: Hängetachymeter
51: Neigungswert der X-Achse des internen Neigungssensors
52: Auftreffpunkt
53: Photodetektor
54: Neigungssensor nach dem Stand der Technik
60: Einrichtung nach dem Stand der Technik
70: erfindungsgemäße Einrichtung

Claims

Einrichtung (70) zur Durchführung von tachymetrischen Winkel- und Streckenmessungen mit einem Hängetachymeter (50), ohne Einschränkung des Sichtbereichs und bei gleichzeitiger Kompensation der Stehachsenneigung, wobei der Hängetachymeter (50) sowohl in aufrechter als auch in hängender Position befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungssensorsystem (40) vorgesehen ist, das sich innerhalb des Hängetachymeters (50) befindet, wobei das Neigungssensorsystem (40) derart ausgebildet ist, dass es neben einer Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in aufrechter Position eine weitere Messung mit einer Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in hängender Position des Hängetachymeters (50) ermöglicht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Neigungssensorsystem (40) aus mindestens zwei Neigungssensoren besteht, von denen zumindest der eine Neigungssensor in aufrechter Position des Hängetachymeters (50) eine Messung zur Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in aufrechter Position und zumindest der andere Neigungssensor in verdreht hängender Position des Hängetachymeters (50) eine zweite Messung zur Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in hängender Position durchführt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Hängetachymeters (50) befindliche Neigungssensorsystem aus einem einzelnen Neigungssensor (40) besteht, mit dem die beiden Messungen zur Neigungsbestimmung der Stehachse (23) in aufrechter Position als auch in hängender Position des Hängetachymeters (50) durchführbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in aufrechter Position wie in hängender Position des Hängetachymeters (50) interne Neigungssensor (40) derart in den Hängetachymeter (50) integriert ist, dass die neigungsempfindlichen X, Y-Achsen des Neigungssensors (40) zum einen in Richtung seines Vertikalkreises und zum anderen in Richtung seiner Kippachse ausgerichtet sind.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Hängetachymeter (50) integriert eingebaute Neigungssensor (40) zumindest aufweist – einen Glaskörper (33), – einen auf dem Glaskörper (33) aufgesetzten, geschlossenen Behälter (13) mit einem Luftraum (37) und einer transparenten Flüssigkeit (12), deren Dichte der Dichte des Glaskörpers (33) entspricht, wobei außerhalb des Behälters (13) – eine Leuchtdiode (14), – ein Linsensystem (15) und – ein positionsempfindlicher Zeilendetektor (16) vorhanden sind, die mit dem Behälter (13) fest verbunden sind, wobei ein von der Leuchtdiode (14) ausgesendeter Lichtstrahl (17) über ein Linsensystem (15) durch die transparente Flüssigkeit (12) des Behälters (13) hindurch auf den Zeilendetektor (16) nach mehrfacher Totalreflexion (42, 43, 43, 42) geführt ist, wobei zumindest an der Flüssigkeitsoberfläche (11) eine Totalreflexion (43) erfolgt, wobei bei einer Neigung des Hängetachymeters (50) aus der Verschiebung und Größenordnung des Auftreffpunktes (52) auf dem Zeilendetektor (16) die Neigungswinkel- und Neigungsrichtungsänderung bestimmbar sind, wobei der Neigungssensor (40) einen zweiten Behälter (38) an der Unterfläche (29) des Glaskörpers (33) besitzt, in dem sich eine Flüssigkeit (12) und ein Luftraum (39) befinden, wobei die Flüssigkeit (12) und das Glas des Glaskörpers (33) eine gleiche Dichte haben.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Leuchtdiode (14) ausgesendete Lichtstrahl (17) ein Streifenmuster (28) auf den photoempfindlichen Zeilendetektor (16) projiziert.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl aus der Position als auch der Größe des abgebildeten Streifenmusters (36) auf dem Zeilendetektor (16) die Neigung des internen Neigungssensors (40) und somit die Neigung der Stehachse (23) des Hängetachymeters (50) ableitbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Luftraum (37, 39) gerichteten Oberflächen (11) der transparenten Flüssigkeit (12) je nach Position des jeweiligen Behälters (13, 38) als neigungsempfindliche Elemente fungieren.
Einrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel der Position des Hängetachymeters (50) von einer aufrechten Position in die hängende Position und damit des Neigungssensors (40) die sich in den Behältern (13, 38) befindlichen transparenten Flüssigkeiten (12) und Lufträume (37, 39) schwerkraftbedingt ihre Positionen umkehren.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der interne Neigungssensor (40) bei einer Drehung des Hängetachymeters (50) um dessen Stehachse (23) mitdreht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungseinrichtung für den Hängetachymeter (50) ein Dreifuß (46), eine Konsole (6) oder ein Stativ mittels einer Befestigung (3) ist.