DE2347426A1

DE2347426A1 - Optische vorrichtung zur messung enger oder kleiner winkel

Info

Publication number: DE2347426A1
Application number: DE19732347426
Authority: DE
Inventors: Franco Bersani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-09-20
Filing date: 1973-09-20
Publication date: 1974-04-11
Also published as: CH568548A5; IT967647B; FR2200507A1; US3907432A; JPS4994350A; FR2200507B3

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Drehkeilvorrichtung zur genauen Messung enger bzw. kleiner Winkel, die sich speziell für die genaue Messung von Gefälle- oder Neigungsstrecken sowie für die Direktanzeige oder -ablesung von topographischen Strecken bzw. Entfernungen und Gradienten auf Meßlatten eignet.

Es ist bekannt, daß es für die Messung von topographischen Strecken, wenn Messungen innerhalb eines Zuverlässigkeitsbereichs von einigen Zentimetern erhalten werden sollen, erforderlieh ist, sehr empfindliche und teuere Instrumente zu verwenden, z.B. Theodoliten mit waagerecht stabförmigem Invar-Target die ausschließlieh nach hoghpräzisen mechanischen und optischen Verfahren hergestellt sind»

Außerdem sind auch für die taehymetrische Vermessung benutzte Autoreduktions- bzw. Verkleinerungsgeräte bekannt,

— 2 —

Ke/Bl/fg

409815/0309

Diese Geräte, selbst wenn sie nach verschiedenen Verfahren konstruiert sind, besitzen die Nachteile hoher Preise und von Montageschwierigkeiten„

Der Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei Anwendung auf ein normales Tachymeter die unmittelbare Ablesung von topographischen Entfernungen und Gradienten auf Meßlatten mit derselben Genauigkeit ermöglicht, wie sie bei den meisten bekannten, teueren Geräten erzielbar ist, und welche dennoch vielseitig verwendbar, einfach herzustellen und im Vergleich zu Geräten des gleich hohen Genauigkeitsgrads nicht sehr teuer ist.

Erfindungsgemäß soll auch die genaue Messung von Gefällestrecken ermöglicht werden.

Der erfindungsgemäße Distanzmesser weist im wesentlichen ein topographisches Teleskop und ein optisches Prisma-bzw. einen Keil auf, das bzw» der mechanisch mit dem Teleskop verbunden und um einen beliebigen, genauestens meßbaren Winkel um die optische Achse herum verschwenkbar ist, wobei weiterhin ein mechanisches Getriebe zur Hervorbringung der Keildrehung sowie SkaleneinteJLungen vorgesehen sind, die eine Ablesung von Winkeln erlauben, welche Funktionen dieser Drehung sind.

Es ist bekannt, daß ein optisches Prisma einen durch es hindurchgehenden Strahlengang in Abhängigkeit vom Refraktionsindex des Glases, aus dem das Prisma hergestellt ist, und dem zwischen seinen beiden Flächen festgelegten Winkel ablenkt.

Ein Richard'sches Prisma bewirkt z.B. eine Ablenkung von etwa 34*23", d_eh. unter einem Winkel mit einem Cotangens von 100.

409815/0309 " ³ "

Ersichtlicherweise ist beim Drehen eines Prismas, das mechanisch an der Vorderseite mit dem Objektiv eines Teleskops verbunden ist, für einen Beobachter eine Verlagerung der durch das Teleskop festgelegten Bildkoordinatenachse sichtbare

Genauer gesagt, wenn das mit dem Teleskop verbundene optische Prisma um j56O gedreht wird, beschreibt der Mittelpunkt des Teleskoprasters einen Umkreis, während die durch das Raster festgelegte und auf die äußere Schrägfläche des Prismas fallende Kollimationsachse einen Kegel mit einem Erweiterungswinkel <T gleich dem Divergenzwinkel des Prismas beschreibt, dessen Spitze auf dem Punkt liegt, an welchem die Kollimationsachse die Außenoberflächen des optischen Prismas oder Keils schneidet.

Da die wichtigste Pehlerursache bei der Entfernungsmessung mittels eines Tachymeters mit konstantem Parallaxenwinkel auf die Ungenauigkeit zurückzuführen ist, mit welcher die Meßlattenabstände oder -Unterteilungen abgelesen werden können, weil im allgemeinen der Schnittpunkt des Tachymeter-Rastergitters nicht auf einem Peilpunkt der Meßlatte liegt, beruhireVfindungsgemafie Distanzmesser auf dem Prinzip, den Parallaxenwinkel co = <ί cos £ (O= Drehwinkel des Prismas) variabel zu machen, so daß die Kollimation des Rastergitters auf den Peilpunkten einer Meßlatte möglich wird, wodurch wiederum eine weit größere Genauigkeit gewährleistet wird. Außerdem erlaubt die Möglichkeit der Variation des Parallaxenwinkels des Geräts eine unmittelbare Ablesung von topographischen Entfernungen und Gradienten auf Querraeßlatten.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

- 4 409815/0309

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen optischen Drehkeil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figo 2 einen gegenüber der Darstellung von Fig„ 1 um verdrehten Längsschnitt,

Fig« 3 eine Seitenansicht mit teilweise weggelassenen Teilen,

Fig. 4 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen lotrechten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines mechanischen Getriebes, mit dem der optische Drehkeil über vorbestimmte Winkel drehbar ist,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig, 6 eine Ansicht einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Quermeßlatte.

Gemäß Fig. 1, die einen lotrechten Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zeigt, weist diese Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform einen Körper bzw. ein Gehäuse 2 und eine Teleskop-Objektivlinse 3 auf.

Am Gehäuse 2 ist beispielsweise mittels einer Stellschraube eine Ringmutter 4 befestigt, während um die TeIeskopachse herum drehbar ein Ringglied 5 gelagert ist.

Die Ablesung der Drehwinkel des Ringglieds 5 kann auf einem mit Skaleneinteilungen versehenen Randkranz 8 vorgenommen werden, der am Umfang des Ringglieds 5 vorgesehen ist.

- 5 409815/0309

In Pig. 1 und 2 ist weiterhin ein Rohr 7 dargestellt, das mittels einer Sicherungsfeder 11 und eines Scharniers 12 am Ringglied 5 angebracht ist. Das Rohr 7 enthält einen optischen Keil 10 mit einem Divergenzwinkel O von z.B. 34*25" und kann mit Hilfe des Scharniers 12 und der Feder 11 abgen.ommen oder fest am Ringglied 5 angebracht werden. Außerdem können Klauen vorgesehen sein, welche den Keil 10 in solchen Positionen festzuhalten vermögen, daß die lotrechten und waagerechten Abweichungen der Bildkoordinatenachse hervorgebracht werden.

Die auf dem mit Skaleneinteilung versehenen Randkranz 8 erfolgende Ablesung des Drehwinkels des Ringglieds 5 und somit des Rohrs J und des Keils 10, die sämtlich einheitlich verbunden sind, kann durch ein auf der Ringmutter 4 vorgesehenes Mikroskop 13 erleichtert werden. Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Mikroskop 13 erlaubt tatsächlich eine sehr genaue Ablesung der Skaleneinteilungen auf dem Randkranz 8.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen speziell das mechanische Getriebe, über welches eine Drehung des optischen Keils 10 über genau bestimmbare Winkelbeträge möglich ist. Dieses mechanische Getriebe wird durch eine Schnecke 16 gebildet, deren Sehneckengänge mit entsprechenden Schneckenradzähnen 5* des Ringglieds 5 sowie den Schneckenradzähnen 21 eines Kreissegmentglieds 20 kämmen, das über einen Schaft 22 einstückig mit einer Punktlibelle 23 verbunden ist. Einer Drehung der Schnecke 16 entspricht somit die aufeinander abgestimmte Drehung des optischen Keils 10 und der Libelle 23, die in der Grundposition parallel zur Bildkoordinatenachse des Distanzmessers liegt.

Das vorstehend beschriebene mechanische Getriebe ermöglicht die unmittelbare Ablesung von kurzen Entfernungen und Gradienten durch Verwendung einer Quermeßlatte

409815/0309 . ₆_

der in Fig. 6 dargestellten Art, die auf einer lotrechten Ebene senkrecht zur Sicht- oder Peillinie angeordnet ist.

Wenn bei vorgeschaltetem Keil und bei lotrechter Abweichung zum unteren Rastergitter des Teleskops die ¹¹O" der Meßlatte angepeilt wird, die auf gleicher Höhe über dem Boden gehalten wird wie das Gerät, wird auf dem oberen Rastergitter eine Meßlattenstrecke abgelesen, deren Wert, multipliziert mit K (Konstante des Geräts), die Gefällestrecke ergibt.

Wenn der Kell um einen Winkel P verdreht wird, bis die Punktlibelle zentriert ist (£=OC; OC = Höhenwinkel des Geräts), fällt das waagerechte obere Raster gitter am lotrechten Arm der Meßlatte auf ein Segment, welches der topographischen Entfernung proportional ist, während das lotrechte Rastergitter auf dem waagerechten Arm der Meßlatte auf ein dem Gradienten proportionales Segment fällt.

Bei der in den Fig, 1, 2 und j5 dargestellten Ausführungsform ist zudem ein mit Skaleneinteilung versehener Knopf J)I zur 3etätigung der Schnecke 16 vorgesehen. Der Knopf Jl ermöglicht über einen entsprechenden Zeiger J>2 die Messung des Drehwinkels des Keils 10. In den Pig. 4 und 5 ist ein allgemein mit JO bezeichnetes mechanisches Getriebe dargestellt, das bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anstelle des Regelknopfes J>1 (Fig. j), der seinerseits am anderen Ende der Schnecke anbringbar ist, auf die Schneckenachse 16 aufsetzbar ist.

Gemäß den Fig. 4 und 5 weist die Vorrichtung einen Schutzzylinder 50, einen Hohlzylinder 51, einen Ring 52 zur Halterung einer Linse 53 und eine Führung 54 auf.

409815/0309

Im zusammengebauten Zustand ist der Hohlzylinder einheitlich mit der Schnecke und die B'ührung 54 einheitlich mit dem Gehäuse der Vorrichtung 1 verbunden, und der durch die Führung 54 über eine einstückig mit ihr verbundene Schiene 60 gesteuerte Ring 52 ist mit einem Innengewinde 55 mit der gleichen Steigung wie ein an der Außenfläche des Schutzzylinders 50 vorgesehenes Gewinde versehen.

Zwischen die Außenfläche des HohlZylinders 51 und die Innenfläche des aus einem durchsichtigen Material, z.B. Plexiglas (eingetragenes Warenzeichen)' bzw. Acrylharz, bestehenden Schutzzylinders ist ein Diagramm 56 eingefügt, welches mehrere eingravierte oder aufgedruckte Skaleneinteilungen trägt»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Diagramm 56 drei Skalen auf, von denen die eine dem Höhenwinkel 00 entsprechend dem Drehwinkels^ des optischen Prismas 10 entspricht, während sich die beiden anderen Skalen auf die Winkel ^ und £_Λ als Punktionen von oc beziehen und erforderlich sind, um die unmittelbare Messung von topographischen Entfernungen und Gradienten auf einer lotrechten Meßlatte zu ermöglichen, wie dies im folgenden noch näher erläutert werden wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung dürften Arbeitsweise und Anwendungszwecke der erfindungsgemäßen Vorrichtung verständlich sein.

Genauer gesagt, wenn eine genaue Messung zwischen zwei auf verschiedenen Höhen liegenden Punkten vorgenommen werden soll, kann durch Einstellung des Drehkeilgetriebes, d.h. des Distanzmessers und einer Meßlatte, auf diese Punkte das untere Rastergitter auf die Null der senkrecht zum Peilrohr gehaltenen Meßlatte gerichtet werden, wobei

- 8 409815/0309

der Keil 10 zunächst in eine solche Position gedreht wird, daß er eine lotrechte Sicht- oder Peilabweichung liefert, bis zur Kollimation mit dem oberen Rastergitter des zuerst angepeilten Zielpunkts.

An diesem Punkt kann der Wert des Drehwinkels am Skalen-Randkranz 8 abgelesen werden. Wird S als die vermessene Meßlattenstrecke und S^f als die ohne Verdrehung über den Winkel p abgelesene Strecke gesetzt, so gilt: c 5^W see £

Die Gefällstrecke entspricht dann d* = KS° sec (K = Konstante des Geräts). Der sich bei diesem einfachen Anwendungsfall durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergebende Vorteil beruht darauf, daß sich die Ablesung der Strecke S° aus zwei Kollimationen auf zwei Zielpunkten und nicht als zwei Ablesungen an der Meßlatte ergibt.

Ein Fehler, selbst in einigen Grundwerten im Meßwinkel ist von sehr geringer Bedeutung und entspricht bei kleinen Werte.n von P einem Mindestmaß.

Da der ParallaxenwinkelO gleich O cos P ist, ergibt sich tatsächlich der Meßfehler im Winkelet aus dem Ablesefehler des Winkels £ und ist dabei sin P proportional, der sich Null annähert, wenn sich P Null annähert.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann avpt¹ mit waagerechten Meßlatten durchgeführt werden, indem einfach der Keil 10 so verdreht wird, daß eine waagerechte Sichtoder Peillinienabweichung erzielt wird.

Eines der wichtigsten Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die Möglichkeit der unmittelbaren Ablesung von topographischen Entfernungen und Gradienten auf einer Quermeßlatte,,

40981 5/0309 - 9 -

Dazu wird der Keil 10 so eingestellt, daß eine lotrechte Abweichung der Kollxmationsachse erzielt wird, und das Tachymeter wird bis zur Kollimation des Mittelpeilpunkts "0" mit dem unteren Rastergitter angehoben. Das obere Rastergitter des Distanzmessers 1 fällt dabei am Punkt L (Fig. 6) auf den lotrechten Arm der Quermeßlatte. Wird S" als das Segment OL eingesetzt, so ergibt sich:

tang ( OC 3 S) - tang OC

worin O = l/K, <*-= Höhenwinkel und d die topographische Entfernung bedeuten.

Wird die Ablesung, die beiofi = 0 erhalten werden würde, als So eingesetzt, so ergibt sich als (+) ohne weiteres die folgende angenäherte Gleichung:

S" = ^So

cosoC

Andererseits beschreibt der Schnittpunkt zwischen der Kollimationsachse d .r Vorrichtung 1 und der lotrechten Ebene der Meßlatte bei einer vollen Drehung des Keils 10 einen elliptischen Schnitt, dessen beide Achsen den folgenden Gleichungen genügen:

b = So/cos öC und a = So/coset

Die implizierten Punktionen dieses elliptischen Schnitts sind folgende:

D x = | 7b² -y²' und 2)

- 10 -

409815/0309

Durch Austausch von y für So wird Gleichung 1) zu

7/T2 Γ^⁷

_ a. / b - So

^x ~ b '

und der Winkel, um den der Keil gedreht werden muß, um So als Ordinate des Schnittpunkts zu erhalten, entspricht

3) pd = tang "¹ (tg oC /1 + cos²* )

Um den Winkel zu erhalten, über den der optische Keil 10 gedreht werden muß, damit der Gradient auf der Meßlatte abgelesen werden kann, wird χ = So tang cc eingesetzt.

Auf die gleiche Weise erhält man für j>):

4) ^ = tang"¹ sin OC

Aus den Gleichungen ^) und 4) geht hervor, daß die Winkel Qi und p_A Funktionen des Höhenwinkels OC sind. Wenn daher das schraubenartige Diagramm 56 neben OC auch die Werte der Winkel ^t und P^ angibt, kann die erfindungsgemäße optische Drehkeilvorrichtung bei Verwendung einer einfachen Quermeßlatte für die unmittelbare Ablesung der topographischen Entfernungen und Gradienten benutzt werden.

Nachdem die Kollimation des unteren Gitters auf den zentralen Zielpunkt ¹¹O¹¹ der Meßlatte erreicht und die Libelle 2j5 durch Drehen des Knopfes ^l zentriert worden ist, kann der Wert von OC durch die Linse 53 auf dem Diagramm 56 abgelesen werden, was einfach durch die Verschiebung mittels der Führung 5^ ermöglicht wird.

Wenn der Wert von oc bekannt ist, wird dann der Regelknopf 3I gedreht, bis der entsprechende Wert des

- 11 -

409815/0309

des Winkels ^[abgelesen werden kann. Dabei stellt tatsächlich den Winkel dar, über den der optische Keil verdreht werden muß, damit das waagerechte Rasterpitter ein Segment.So auf dem lotrechten Arm der Quermeß-

kann.

latte einschließen/ Um auf dem waagerechten Arm.der Quermeßlatte das Segment So tang OC abzulesen, das dem Gradienten proportional ist, kann das gleiche Verfahren angewandt werden.

Die bei diesem Verfahren auftretenden Meßfehler bei der Gradientenmessung beruhen hauptsächlich auf der Ablesegenauigkeit (- 1 mm) auf der Meßlatte. Wenn K = 100, ergeben sich somit Meßfehler von + 10 cm.

Wenn die Gradientenmeßfehler auf 5 oder 2 cm begrenzt sein sollen, müssen kleinere Werte der Konstante K, nämlich von K = 50 oder K = 20, vorliegen. Zu diesem Zweck bietet das schraubenartige Diagramm 56 bei einer bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung auch die Werte der folgenden Funktionen:

ei r-_n_ 2 sinOC cos Of ; _on_ 5 sin OC cos OC ** 1-4 sin OC 1-25 sin oc

Die vorstehende Beschreibung soll den Grundgedanken der Erfindung selbstverständlich nur beispielhaft erläutern. Da zudem dem Fachmann verschiedene Abwandlungen und Änderungen der dargestellten und beschriebenen Ausfuhrungsform möglich sind, soll die Erfindung selbstverständlich nicht auf die genauen Konstruktions- und Betriebseinzelheiten beschränkt sein, sondern alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Abwandlungen und Äquivalente mit umfassen.

4098 15/0309

Claims

Patentansprü ch e

O Vorrichtung zur genauen Messung von engen bzw„ kleinen Winkeln, bestehend im wesentlichen aus einem optischen Keil und einem topographischen Teleskop, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Keil (10) mechanisch mit dem Teleskop verbunden und um dessen optische Achse über einen genauestens meßbaren Winkelbetrag schwenkbar ist und daß ein mit dem Keil verbundenes mechanisches Getriebe zur Hervorbringung einer Drehung des Keils und eine mit dem mechanischen Getriebe verbundene Ablese- oder Anzeigeeinrichtung vorgesehen sind, die mit schraubenartigen Abstufen versehen ist, in denen die Winkel festgelegt sind, die Funktionen des Drehwinkels des Keils darstellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (10) am Innenteil eines koaxial zum Teleskop angeordneten Rohrglieds (7) befestigt und mittels .Sicherungseinrichtungen mit einem Ringglied (5) verbunden ist, das in eine am Teleskop befestigte Ringmutter eingreift.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringglied (5) an seinem Umfangsteil mit einem mit Skaleneinteilungen versehenen Randkranz (8) versehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß an der Ringmutter (4) nahe des mit Skaleneinteilung versehenen Randkranzes (8) ein Mikroskop (13) oder eine ähnliche Ableseeinrichtung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Getriebe zur Hervorbringung der Drehung

- 13 409815/0309

- Γ5 -

des optischen Keils (10) durch eine Schnecke (16) mit Schneckengängen gebildet wird, welche mit entsprechenden Schneckenradzähnen (5¹) dss Ringglieds (5) kämmen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5.» dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (16) weiterhin mit den Schneckenradzahnen (21) eines Kreissegmentglieds (20) zusammengreift, das über einen Schaft (22) einstückig mit einer Punktlibelle (23) verbunden ist,.die in einer Grundposition parallel zur Kollimationsachse des Teleskops liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5.» dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelableseeinrichtung durch einen einstückig mit der Schnecke (16)'verbundenen Hohlzylinder (51) gebildet ist, der auf seiner Oberfläche eine Anzahl von spiraligen oder schraubenförmigen Winkelabstufungen aufweist, von denen eine die Werte des Drehwinkels @ des optischen Keils (10) darstellt.'
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 > dadurch gekennzeichnet, daß drei spiralige bzw. schraubenförmige Winkelabstufungen vorgesehen sind, von denen sich die eine auf den Drehwinkel £ des Keils (10) bezieht, während sich die beiden anderen auf Winkel P Jt und ^_Δ beziehen, deren Werte Punktionen des Drehwinkels sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die spiraligen bzw. schraubenförmigen Abstufungen der Winkel ρ fund P . diejenigen der Punktionen

-1

sind.

= tang" (tg£> wl + cos«) und £4 = tang

4098 15/0309
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (51) mit einem äußeren Schutzzylinder (50) aus einem durchsichtigen Material versehen ist, der ein Schraubengewinde trägt und über eine Schraubverbindung mit einer Ableselinse (53) verbunden ist, die parallel zu den Erzeugenden des HohlZylinders führbar ist, wobei eine Drehung der Schnecke (16) eine Drehung des Zylinders und eine Verschiebung der Linse hervorruft.

A0 9815/0309

Leerseite