4.7 MERANIE UHLOV MAGNETICKÝMI PRÍSTROJMI

Transcript

1 4.7 MERANIE UHLOV MAGNETICKÝMI PRÍSTROJMI Magnetické prístroje slúžia na meranie vodorovných uhlov, ktoré sa v tomto prípade nazývajú magnetické azimuty, a na orientáciu, t.j. usmerovanie teodolitu (buzolového teodolitu) do smeru magnetického meridiánu. Meranie sa vykonáva na podklade známej skutonosti, že sa magnetická ihla úinkami zemského magnezitu ustáli vždy do smeru magnetického meridiánu. Pri meraní magnetických azimutov sa stretávame s pojmami: Astronomický meridián (A) miesta z ktorého sa meria, je priesenica zvislej roviny preloženej vertikálnou osou prístroja a zemepisným severom so zemským povrchom. Magnetický meridián (M) predstavuje priesenica zvislej roviny preloženej osou ustálenej deklinanej magnetky so zemským povrchom. Magnetický azimut (A mg ) je uhol v mieste merania od severnej vetvy magnetického meridiánu po urovaný bod v smere hodinového íslovania. Je vždy kladný a poíta sa od 0 g do 400 g (0-360 ) (obr. 4.5). Obr Magnetická deklinácia Magnetická deklinácia (D) je uhol v mieste merania, ktorý zviera smer magnetického meridiánu M a astronomického meridiánu A (obr. 4.5). Deklinácia odklonená na západ je záporná, na východ je kladná. Aby sa získal astronomický azimut A a, deklináciu je potrebné vždy algebraicky pripoíta k odmeranému magnetickému azimutu. Astronomický meridián, na úrovni používania magnetických prístrojov, má stálu polohu, smer magnetického meridiánu sa mení. V dôsledku toho sa mení i hodnota magnetickej deklinácie D, a to pravidelne (i ke nie rovnomerne) poda miesta a asu merania. Urenie magnetickej deklinácie. Na podklade zisovania zmien magnetickej deklinácie na rôznych miestach zemského povrchu k uritému dátumu sa vyhotovila magnetická mapa. Krivky na tejto mape, spájajúce miesta o rovnakej deklinácii sa nazývajú izogóny. Hodnota magnetickej deklinácie sa mení, spôsobuje to úinok slnenej innosti a vplyv zmeny polohy zemskej osi na magnetické pole Zeme. Zmeny magnetickej deklinácie sa v pravidelných obdobiach (periodicky) opakujú. Poda džky periódy ich rozdeujeme na denné, roné a sekulárne, sú to tzv. variácie. Sekulárna variácia ukazuje, že magnetická deklinácia sa v priebehu storoia mení a kolíše medzi dvoma krajnými hodnotami. Magnetickú deklináciu pozorovaného miesta charakterizuje normálna deklinácia D k uritému dátumu epoche. Zistila sa ako aritmetický priemer 366-tich po sebe idúcich priemerných denných deklinácií, priom uvažovaná epocha je uprostred tohoto roného obdobia. Miestne a asové zmeny magnetickej deklinácie majú pomerne rovnomerný priebeh. Magnetickú deklináciu je preto možné uri zo vzahu: 75

2 1957,5 + v ( 1957,5) D t = D t, (4.0) kde D 1957,5 je magnetická deklinácia v mieste merania k epoche napr. 1957,5 a zistí sa z mapy izogón. alebo z topografickej mapy 1:10 000, kde jej hodnota je uvedená k stredu mapového listu (obvykle sa udáva v sexagezimálnom delení). v je roná zmena magnetickej deklinácie, nájde sa na mape izopor, alebo na mimorámcových údajoch topografickej mapy 1:10 000, t je asový údaj merania deklinácie, udáva sa ako desatinné íslo. Tak napríklad magnetická deklinácia v Žiline v skorých ranných hodinách bola: D 001,5 = ,1. 45,83 = 4,0. Údaje D 1957,5 = 0 08 a v = 5,1 sa zistili z topografickej mapy v mierke 1: Okrem zmeny deklinácie poda miesta pozorovania a asu, ktorá je celkom pravidelná, nastávajú nepravidelné zmeny poruchy. Tieto zmeny sú spôsobené: magnetickými búrkami, feromagnetickými kovmi, vplyvom jednosmerného elektrického prúdu, vplyvom nepravidelne rozložených železných a oceových súiastok vlastného prístroja a vplyvom geologického zloženia hornín v oblasti merania (železné rudy). V takýchto prípadoch magnetické prístroje na meranie magnetických azimutov a na pripojovacie merania nie je možné použi Magnetické prístroje Obr Tvary magnetických ihiel Základnou súiastkou všetkých magnetických prístrojov je magnetická ihla (magnetka) (obr. 4.53). Je to kovová tyka, silne zmagnetizovaná, v strede má ložisko v ktorom je podopretá hrotom, takže sa môže vone kýva. Pôsobením zemského magnetizmu sa magnetka svojou pozdžnou osou stavia do smeru magnetického meridiánu M. Vyvážením magnetky sa odstrauje jav zvaný inklinácia, ktorý je spôsobovaný skláaním jej severného konca. Citlivos magnetky závisí od džky oceovej tyinky, váhy, intenzity magnetizovania, tvrdosti ložiska a hrotu, na ktorom magnetka leží. Magnetická ihla doplnená skrinkou s deleným kruhom a zámerným priezorom (alekohadom) predstavuje najjednoduchšiu pomôcku na meranie magnetických azimutov buzolu (obr. 4.54). Na rozdiel od buzoly kompas nie je vystrojený zámerným priezorom. 76

3 Obr Buzola Obr Schéma trubicového usmerovaa Magnetka buzoly je asi 10 až 1 cm dlhá, je postavená na plocho alebo na hranu. Jej zahrotené, alebo ryskami opatrené konce slúžia ako ítacie indexy. Vypínacím (aretaným) zariadením môžeme magnetku nadvihnú a pritlai ku sklu a tým chráni jej hrot pred otupením a ložisko pred opotrebovaním. Magnetka sa vypína poas prenášania alebo pri transporte prístroja. Delený kruh buzol je íslovaný opane ako u teodolitov, t.j. proti smeru íslovania hodín. V súasnej geodetickej praxi sa buzola ako uhlomerný prístroj používa zriedkavo. Na meranie magnetických azimutov sa používajú hlavne buzolové teodolity. Sú to v podstate teodolity doplnené plnokruhovým nasadzovacím kompasom, alebo aspo asou kompasu, tzv. trubicovým usmerovaom, ktorý umožuje nastavi zámernú priamku do smeru magnetického meridiánu. Trubicový usmerova je skrinkové alebo valcové puzdro (obr. 4.55), v ktorom je na hrote zavesená magnetka, opatrená aretaným zariadením. Obrazy oboch koncov magnetky (severného a južného) sa prenášajú optickou cestou do zorného poa trubicového usmerovaa (obr. 4.55a). Magnetka je urovnaná v tom okamihu, ke sa otáaním alidády dosiahne koincidencia oboch obrazov jej hrotov (obr. 4.55b). Tým sa súasne zámerá priamky nastaví do smeru magnetického meridiánu. Väšina vyrábaných teodolitov v súasnosti má charakter buzolových teodolitov, pretože ich príslušenstvo obsahuje rúrkový usmerova, alebo plnokruhový kompas, ktoré sa pripevujú na teleso prístroja. Zo starších prístrojov, teodolit Meopta T1 c má trvalo zabudovaný trubicový usmerova Meranie magnetických azimutov Magnetické azimuty sa merajú dvoma spôsobmi: 1. Priamy spôsob merania magnetických azimutov vyžaduje prístroj s plnokruhovou buzolou. Prístroj zhorizontujeme a scentrujeme na stanovisku P 1. Aretovanú magnetku uvoníme a zacielime na bod P. Po ustálení magnetky ítame pomocou lupy pozície hrotov magnetky na vodorovnom kruhu buzoly. Pri hrote nasmerovnanom na sever ítame stupne a ich desatiny, pri hrote nasmerovanom na juh ítame desatiny stupa. Pred ítaním sa trenie v ložisku magnetky odstráni jemným poklepom. Pri ítaní by oko meraa má v predženej ose magnetky, aby nevznikla paralaxa. 77

4 Obr Priamy spôsob merania magnetických azimutov Obr Nepriamy spôsob merania magnetických azimutov Rovnakým spôsobom odmeriame magnetický azimut A mg13 spojnice P 1 P 3. Vodorovný uhol získame z rozdielu azimutov: ω = A A. (4.1) mg13 mg1 Azimuty meriame v dvoch polohách alekohadu.. Nepriamy spôsob merania magnetických azimutov môžeme aplikova buzolovými teodolitmi. Podstatou merania je urenie ítania m, ktoré zodpovedá tej polohe alidády, pri ktorej sa zámerná rovina stotožuje so smerom magnetického meridiánu M. Osnova smerov sa potom orientuje k smeru magnetického meridiánu. Zámernú rovinu do smeru magnetického meridiánu nastavíme tak, že aretovanú magnetku uvoníme a alidádu otáame tak dlho, až severný hrot magnetky ukazuje približne k nule vodorovného kruhu, resp. ak je prístroj vybavený trubicovým usmerovaom, dosiahne sa približne koincidencia oboch hrotov trubicového usmerovaa. Alidádová svorka sa upne a pohybovkou sa nastaví ítanie 0 g resp. koincidencia hrotov trubidového usmerovaa. V tejto polohe alidády ítame na limbe hodnotu m. Ak ide o prístroj s repetinou svorkou, alebo limbom na postrk, prípadne prístroj s limbovou svorkou a pohybovkou, môžeme nastavi ítanie m = 0. Potom magnetku uvoníme, postupne cielime na body P, P 3, at., pri ktorých získavame ítanie, 3, at. Výsledné magnetické azimuty sa uria z rovníc: A mg1 = m, Amg13 = 3 m Amg1n = n m. (4.) Presnos urenia magnetického azimutu sa dá zvýši opakovaným nastavovaním alidády do smeru magnetického meridiánu, pri ktorom sa uruje hodnota m, do rovníc (4.) sa potom zavedie. jej hodnota aritmetického priemeru ( ) m Využitie odmeraných magnetických azimutov Odmerané magnetické azimuty využívame pri urovaní vrcholových uhlov v polygónoch tzv. buzolových polygónoch, ktoré sú charakterizované krátkymi polygónovými stranami. Merajú sa v podzemných priestoroch, v zalesnených priestoroch at. Ako je vidie z obr. 4.58, vrcholové uhly môžeme odvodi z magnetických azimutov odmeraných na každom druhom stanovisku: g g ( Amg3 00 ) Amg1 + = Amg 3 Amg1 g ( A mg3 ) + A 34 ω = 00, ω =, (4.3) mg 78

5 ω 4 = Amg 54 Amg 34, Obr Meranie magnetických azimutov v buzolovom polygóne Meranie magnetických azimutov v geodetickej praxi má veký význam vtedy, ak je možné ich prepoíta na smerníky (kap. 6.1), napr. pri urení centraného uhla na excentricky postavený stromový signál (len v prípadoch, ke džka excentricity je e < 10 m), pri vytýení prieseku potrebného k realizácii líniovej stavby (vedenie VVN, lanová dráha a pod.). Sú to prípady, kedy by si splnenie danej úlohy bežnými geodetickými metódami vyžiadalo napr. realizáciu pomocných priesekov, alšie zhusovanie bodového poa a iné meraské výkony Presnos merania magnetických azimutov Na presnos meraných magnetických azimutov vplýva malá citlivos magnetky, ktorá môže by dôsledkom nedostatone hladkého ložiska, i hrotu, na ktorom magnetka leží, prípadne i jej nedostatoného zmagnetizovania. Rozhodujúci vplyv na presnos merania magnetických azimutov má chyba v ítaní polohy hrotu magnetky medzi ryskami ohraniujúcimi najmenší dielik stupnice vodorovného kruhu. Stredná chyba v ítaní závisí hlavne na vekosti kruhu a na tom, i sa ítanie vykonáva pomocou lupy, alebo voným okom. Pre priemery kruhu väšie než 10 cm, sa udáva jej hodnota 3 až 5, pre kruhy 8 až 10 cm a malé buzoly sa uvádza hodnota strednej chyby v ítaní 10 a viac minút. Priaznivejšie výsledky sa dosahujú pri nepriamom spôsobe merania magnetických azimutov. Namiesto chyby v ítaní polohy hrotu magnetky je tu o polovicu menšia chyba v nastavení hrotu na nulový dielik, doplnená malou chybou v ítaní na limbe. Strednú chybu meraných azimutov v hodnote 1 môžeme dosiahnu nepriamym meraním magnetických azimutov, pomocou trubicového usmerovaa s koincidenným spôsobom urovnania, ak nastavenie niekokonásobne opakujeme. Na sériu navzájom na seba nadväzujúcich azimutov odmeraných v priebehu jedného da má vplyv denná zmena deklinácie. Amplitúda denného kolísania smeru magnetického meridiánu v letných mesiacoch dosahuje 10 až 1, v zimných mesiacoch je do hod. ráno (v zime a v lete trocha neskôr) je severný koniec magnetky najbližšie k magnetickému meridiánu, potom sa vychyuje a okolo hod. dosahuje maximálnu výchylku. Po hod. opä sa blíži k strednej polohe. V záujme zníženia úinku asovej (dennej) zmeny deklinácie, meranie magnetických azimutov sa zásadne vykonáva v magneticky kudnej dobe, ktorá je od hod. do 8.00 hod. rannej. Zmena deklinácie pri prácach v rozsahu do 1 km je nepatrná, dosahuje len asi 0. 79

6 4.8 GYROSKOPICKÁ ORIENTÁCIA SMEROV Francúzsky fyzik Leon Foucault (185) zistil, že zemské teleso, ktoré sa zotrvane otáa okolo svojej osi, vytvára zotrvaníkové pole, v ktorom os vone zaveseného a rýchlo sa otáajúceho zotrvaníka (gyroskopu) postupne zaujme smer rovnobežný so zemskou osou. Tento objav sa zaal prakticky využíva pre geodetické úely zostrojením gyrokompasu (191). Asi pre 60-mi rokmi bol zkonštruovaný zotrvaníkový prístroj v spojení s teodolitom tzv. gyroteodolit. Princíp innosti gyroteodolitu vychádza z podstaty gyroskopu, kde je rýchlo rotujúci zotrvaník umiestnený v Cardanovom závese s troma stupami vonosti v osiach Z, Y, X (obr. 4.59), tzn., že hlavná os zotrvanosti má možnos zauja akúkovek polohu, vzhadom k svojmu najbližšiemu okoliu. Ke sa obmedzí vonos gyroskopu v osi Y napr. kyvadlom, ktoré má nízko ažisko, môže sa zotrvaník otáa len okolo osi X a s touto osou okolo osi Z, ím vzniká len dvojstupová vonos. Os X sa potom udržuje vo vodorovnej polohe a pri rýchlo sa otáajúcom zotrvaníku zaujme smer astronomického meridiánu. Každý gyroteodolit sa skladá z - teodolitu, ktorého presnos má by väšia než presnos gyrokompasu (sekundový teodolit), - gyrokompasu, jeho hlavnou súiastkou je citlivý prvok, ktorý udáva smer, - príslušenstva, ku ktorému patrí masívny stojan a zdroj elektrického prúdu. Obr Schéma troch stupov vonosti v osiach 80

7 Obr Gyroteodolit MOM Gi-B1 Gyrokompas môže by umiestnený bu pod teodoliom (obr. 4.60), alebo nad ním, vo forme gyrokompasového nadstavca (obr. 4.61). Zotrvaník gyrokompasu je v podstate rotor trojfázového vysokoobrátkového elektromotoru, ktorý je pevne spojený s citlivým prvkom. Citlivý prvok má tvar rotaného telesa a býva zavesený na torznom pásiku ako kyvadlo, alebo je uzavretý v dutom plášti a pláva v nádobe s kvapalinou, resp. má inú úpravu. Vo všetkých prípadoch os rotujúceho zotrvaníka môže meni svoju polohu len vo vodorovnej rovine a pri rýchlo sa otáajúcom zotrvaníku zaujme smer astronomického meridiánu. Tento smer zaujme za uritý as, v dôsledku zotrvanosti sa kýve okolo rovnovážnej polohy tlmenými kmitmi, až nastane úplný útlm. Zotrvaník sa musí pritom otáa rýchlosou až otoiek za minútu. V súasnej dobe existuje niekoko typov gyroteodolitov vyrábaných v Rusku, Nemecku, Švajiarsku a iných krajinách. Jeden z gyroteodolitov používaných u nás je prístroj Gi-B1 maarskej firmy MOM (obr. 4.60). Teodolit má koincidenný spôsob ítania s najmenším dielikom stupnice mikrometra cc. Citlivý prvok gyrokompasu je zavesený v podobe kyvadla na torznom pásiku. Otáavý moment (asi otoiek/min) udeuje zotrvaníku generátor napájaný 1V akumulátorom. Pozorovanie kmitov citlivého prvku okolo roviny meridiánu umožuje optickomechanický celok, pozostávajúci z autokolimaného alekohadu a pomocnej stupnice, ktorý je pripevnený na citlivom prvku. Sledovanie kmitov sa uskutouje manuálne nekonenou skrutkou s hrubým a jemným vedením. Presnos urenia astronomického azimutu sa udáva strednou chybou 15, urenie azimutu vrátane postavenia prístroja trvá 30 až 45 minút. 81

8 Okrem gyroteodolitu geodetická prax používa aj gyrokompasové nadstavce, ktoré tvoria doplnkové orientané zariadenie pre presné teodolity, napr. gyrokompasový nadstavec Wild GAK 1 (obr. 4.61), ktorý možno nasadi na rôzne teodolity firmy Wild (dnes firmy Leica). Obr Gyroskopický nadstavec Wild GAK 1 v spojení s teodolitom Wild T Urenie astronomického azimutu gyroskopickým teodolitom Gyroskopický teodolit sa scentruje a presne sa zhorizontuje. Trubicovým usmerovaom sa urí približne sever a na vodorovnom kruhu sa nastaví ítanie blízke nule. Potom sa zacieli na orientaný bod (P) a íta sa na vodorovnom kruhu (obr. 4.6). alej nasleduje urenie nulovej torznej polohy citlivého prvku, pri ktorej sa zotrvaník ešte neotáa. Citlivý prvok sa odaretuje a nechá sa chvíku v kude, pritom kmitá okolo rovnovážnej polohy, ktorá sa urí ítaním krajných polôh na torznej stupnici (obr. 4.63). Torzná stupnica sa pozoruje autokolimaným alekohadom. V jeho zornom poli sú dve od seba oddelené stupnice, ktoré sa po odaretovaní citlivého prvku posúvajú proti sebe, až dosiahnú krajnú polohu. Potom sa zanú posunova proti sebe opaným smerom do druhej krajnej polohy. Krajné polohy sa ítajú na hornej stupnici poda strednej iarky (indexu) dolnej stupnice. Obr Urenie astronomického azimutu Obr Torzná stupnica Z ítaných krajných polôh a 1, a, a 3, sa urí nulová poloha priemerovaním: 8

9 a1 + a a1 = ; A 1 a1 + a = ; a + a3 a = ; A1 + A A0 =. A a3 + a4 a3 = ;... a + a3 = ; (4.4) Na nulovej torznej polohe sa citlivý prvok zaaretuje. Zapne sa elektromotor, ke zotrvaník dosiahne vyžadovaný poet otáok odaretuje sa citlivý prvok a hne sa zane pozorova torzná stupnica. Stupnice sa proti sebe posúvajú rýchlo a neustále sa od seba vzaujú. Mera musí skrutkami alidády udržiava rysky nulovej polohy stupnice blízko seba, pretože ke os zotrvaníka zaujme krajnú polohu na krátky as sa pohyb stupníc zastaví, vtedy treba zkoincidova rysky a preíta uhlovú hodnotu na vodorovnom kruhu teodolitu n 1. Zotrvaník medzi tým rotuje alej a vychyuje os rotácie na druhú stranu. V okamihu krajnej polohy po skoincidovaní indexov, na vodorovnom kruhu ítame údaj n. Postup sa opakuje minimálne štyrikrát a z ítaní na teodolite n 1, n, n 3,... sa urí nulová hodnota N 0 podobne ako v rovniciach (4.4). Elektromotor sa vypne a znova sa urí poda predchádzajúceho postupu nulová torzná poloha A 0 a vytvorí sa priemer 1 A 0 = ( A0 + A0 ). (4.5) A 0 sa použije na urenie opravy nulového bodu N = C A 0, hodnota koeficientu C je udaná pre každý prístroj. ítanie vodorovného kruhu pre smer astronomického meridiánu bude N = N 0 + N 0. (4.6) Nakoniec sa zacieli na daný bod P a v oboch polohách alekohadu sa urí jeho azimut: Aa = P N +, (4.7) kde je konštanta prístroja (90 alebo 0 ), jej hodnota je závislá od umiestnenia autokolimaného alekohadu na alidáde vzhadom na zámernú rovinu teodolitu. Gyroteodolity nachádzajú hlavné uplatnenie pri pripojovacích prácach v podzemných priestoroch, ako aj pri iných geodetických úlohách. 83