From Wikipedia, the free encyclopedia
Totalna stanica, mjerna stanica ili tahimetar je računalna inačica elektroničkog teodolita. Totalne stanice imaju u sebi računalo, memoriju i elektronički daljinomjer. Totalna stanica omogućava jednostavnije snimanje detalja, iskolčavanja, te brže i preciznije izvođenje radova. Elektronički daljinomjer je najveća prednost totalnih stanica. Takvi daljinomjeri sastoje se od odašiljača koji emitira elektromagnetsko zračenje u infracrvenom ili radio spektru. Elektronički daljinomjer zahtjeva reflektor na kraju mjerenje dužine koji refletkira odaslane elektromagnetske valove. Preciznost elektroničkog daljinomjera kod totalnih stanica je oko 2 mm na 1 km mjerene duljine.[1]
Instrumenti koji omogućuju mjerenje vodoravnog kuta, vertikalnog kuta i kose duljine nazivaju se tahimetri (grč. brzomjer). U 19. stoljeću pojavili su se optički tahimetri, a 1970-ih godina prošlog stoljeća prvi elektronički tahimetri. Tijekom razvoja automatiziran je tijek mjerenja, uspostavljena automatska registracija, omogućena razna računanja u samom instrumentu, te se danas takvi instrumenti nazivaju totalnim stanicama ili mjernim stanicama (eng. Total Station).[2]
Fizikalni princip elektroničkog mjerenja dužina zasniva se na mjerenju vremena koje je elektromagnetskom valu potrebno za prijelaz mjerene dužine u oba smjera. Na početnoj točki (stajalištu) nalazi se primopredajnik, a na cilju reflektor. Navedeni jednostavni princip mjerenja iziskuje složeno konstruktivno rješenje, čemu je uzrok velika brzina elektromagnetskog vala tj. svjetlosti. Potrebno je vrlo točno mjeriti vremenski signal t, a također mjerni signal prolazi kroz različite slojeve atmosfere, što utječe na njegovu brzinu, te kao rezultat daje pogrešno mjerenje dužine. Za standardizaciju konstrukcija elektroničkih daljinomjera nužno je što točnije poznavanje brzine svjetlosti.
Uz poznatu brzinu elektromagnetskog vala u vakuumu c0, odredit će se brzina u zraku kao optičkom sredstvu c, poznavanjem njegova indeksa prelamanja u, primjenom osnovnog zakona iz optike:
gdje je: c - radna brzina (brzina vala tijekom mjerenja). Uvrštenjem u formulu za duljinu, dobiva se izraz:
gdje je: t – vrijeme potrebno da elektromagnetski val prijeđe udaljenost do cilja i natrag.
Indeks prelamanja zraka osnovni je čimbenik kojim je određena radna brzina vala. Točnost mjerenja ovisi o tome koliko je poznato stvarno stanje atmosfere. Za određivanje stanja atmosfere pri mjerenjima, potrebno je izmjeriti temperaturu zraka, tlak zraka i količinu vodene pare, da bi se što točnije odredio indeks prelamanja.
Na osnovi poznavanja radne brzine elektromagnetskog vala, duljina se određuje mjerenjem vremenskog intervala t dvostrukog puta signala. Budući da se radi o vrlo malim vremenskim intervalima, oni se moraju odrediti s visokom točnosti, što je zahtjevan tehnički zadatak. Na primjer, pri dvostrukom prijelazu duljine od 500 m, vremenski interval signala iznosi oko 3 μs. Već nesigurnost u mjerenju vremena od 0,1 ns daje odstupanje duljine od 15 mm. Danas se već razvijaju tehnologije koje omogućuju mjerenje od 10-12 ps.
Samo mjerenje izvodi se tako da se signal od odašiljača odvaja u dva puta: jedan put prema prijemniku izravno (bez prijeloma dužine – unutrašnji put), a drugi put vanjski put signala do reflektora i natrag. Ovisno o tehničkim rješenjima mjerenja vremenskog signal razlikujemo nekoliko osnovnih načina mjerenja dužina:
Odašiljač zrači slijed impulsa, pa se dužina mjeri direktnim mjerenjem vremenskog intervala u kojem impuls prelazi mjernu dužinu. Dužina se može mjeriti odašiljanjem jednog impulsa, ali zbog povećanja točnosti mjerenja odašilje se slijed impulsa. Pri impulsnom načinu mjerenja, odašiljač radi tako da u vrlo kratkom vremenskom intervalu odašilje elektromagnetski val do reflektora koji se nalazi na cilju, te ga vraća natrag prema prijamniku na stajalištu. Primjenjuje se vidljivo i infracrveno zračenje. Za vrijeme emisije impulsa veličina impulsa treba biti konstantna. Impulsi su modulirani; primjenjuje se amplitudna i frekventna modulacija.
Razvojem laserske tehnologije omogućeno je mjerenje bez primjene reflektora na cilju. Zraka svjetlosti odbija se od raznih površina (objekata). Primjena takvog načina mjerenja je kod kraćih duljina.
Impulsni način mjerenja ima značajnu primjenu pri mjerenju kratkih dužina zbog više prednosti, a to su:
Osnova faznog načina mjerenja dužina je posredan način mjerenja vremenskog intervala na osnovi mjerenja fazne razlike odaslanog i primljenog signala. Kod mjerenja faznim načinom odašiljač kontinuirano, za vrijeme mjerenja emitira modulirane svjetlosne valove ili valove mikrovalnog područja. Na osnovi usporedbe razlika faza dvaju signala u jednom trenutku u mjeraču faze (od kojih jedan prelazi dužinu u oba smjera), dobivamo osnovnu informaciju o dužini.
Elektroničko mjerenje dužina faznim načinom možemo usporediti s mehaničkim mjerenjem dužina pomoću vrpce. Pri mehaničkom mjerenju broji se koliko puta mjerna jedinica (dužina vrpce) ide u ukupnu dužinu i očitava se ostatak dužine. Kod elektroničkog mjerenja broj „vrpci“ je nepoznat. Problem se rješava u kombinaciji primjene većeg broja korištenja frekvencije (grubo mjerenje) za mjerenja, a za fino mjerenje koristi se najviša frekvencija.
Elektrooptički daljinomjeri mjere dužinu emisijom vidljive ili nevidljive infracrvene svjetlosti. Za takvo mjerenje potrebno je optičko dogledanje instrumenta na stajalištu i točke cilja. Na cilj se postavlja reflektor, koji vraća zraku do prijamnika u instrumentu. U upotrebi su impulsni i fazni elektrooptički daljinomjeri. Impulsni način mjerenja dužina omogućuje mjerenje dužina bez reflektora na cilju. Dovoljan je jedan snažan impuls kako bi se dužina jednoznačno izmjerila s centimetarskom točnosti. Primjenjuje se kod mjerenja dužina do nepristupačnih točaka, mjerenja profila u tunelu, podzemnim prostorijama, kamenolomima, čeličnih postrojenja i dr.
Izvori zračenja koji se primjenjuju mogu biti koherentni i nekoherentni. Predstavnik nekoherentnog zračenja bila je električna žarulja. Danju je tim izvorom postignut doseg do 5 km, a noću do 15 km. Ovaj izvor zračenja je zamijenjen.
U razvoju elektrooptičkih daljinomjera prekretnica je nastala otkrićem i primjenom luminiscentne diode kao izvora zračenja. Primjenjuje se galij-arsenid (GaAs) dioda, kao izvor zračenja valne duljine od 890 do 950 μm (infracrvena svjetlost).
Laseri isto služe kao izvor koherentnog zračenja. Za pojačanje svjetlosti služi aktivno sredstvo koje se nalazi u rezonatoru i koje uz dovođenje energije izvana pojačava optičke oscilacije vala u uskome spektralnom području, ovisno o korištenom sredstvu. Kao aktivna sredstva primijenjena su čvrsta tijela kristalne ili amorfne strukture, tekućine i plinovi. Zasebnu grupu čine poluvodički laseri (GaAs – laser). Danas se primjenom lasera mogu izmjeriti dužine i do 300 m bez korištenja reflektora na cilju. Lasersko zračenje se primjenjuje u gotovo svim geodetskim instrumentima u sigurnosnim granicama do 1 mW (prema međunarodnim standardima). Iako je snaga lasera vrlo mala, potrebna je oprezna primjena i izbjegavanje promatranja laserskog izvora, jer djelovanje na mrežnicu ljudskog oka nije još dovoljno istraženo.
Elektrooptičke daljinomjere potrebno je ispitivati i usmjeriti ih. U ovlaštenom elektroničkom laboratoriju potrebno je vrlo točno izmjeriti ili namjestiti frekvenciju u elektrooptičkom daljinomjeru, kao i veći dio drugih pogrješaka elektroničke prirode. Osim laboratorijskog ispitivanja, daljinomjeri se ispituju i u terenskim uvjetima, na tzv. bazama i to preko cijelog dosega daljinomjera.
Korekcije i redukcije duljina mogu se raščlaniti na:
Adicijska korekcija uzrokovana je građom instrumenata i reflektora. Ukupna poznata adicijska korekcija (e - udio adicije instrumenta, r – udio adicije reflektora) uzima se u obzir već kod proizvođača, te je potrebno uvesti korekciju ako se koristi reflektor drugih proizvođača.
Svaki elektrooptički daljinomjer umjeren je u tvornici na određenu radnu brzinu za indeks prelamanja referentne atmosfere. Svako odstupanje stanja atmosfere od referentne dat će pogrešku duljine. Zbog navedenog, potrebno je određivanje srednjeg indeksa prelamanja atmosfere, u kojoj mjerimo; uvodi se tzv. brzinska korekcija duljine. Na terenu (na stajalištu i na cilju) izmjeri se trenutačna temperatura i tlak zraka, te se iz tih podataka u mikroračunalu instrumenta računa korektivni podatak, tzv. faktor mjerila. Također, korektivni se podatak na temelju temperature i tlaka zraka može isčitati i iz dijagrama (u mikroračunalu).
Položaj točke u ravnini određen je s dvije veličine, a to su u pravokutnom koordinatnom sustavu apscisa i ordinata, odnosno koordinate točke (x, y). Takvo snimanje detalja spada u ortogonalnu metodu. U polarnom sustavu, gdje je ishodište pol, veličine su duljina i orijentirani pravac (mjereni kut). Ovakav način snimanja detalja naziva se polarna metoda. Ako se u geodetskoj izmjeri sa stajališta instrumenta određuju dvije dimenzije, govorimo o 2D (dvodimenziomalnom) određivanju koordinata.
Za prostorni položaj točke potrebna je i treća koordinata (z). Tada se određuju tri dimenzije točke, te govorimo o 3D (trodimenzionalnom) određivanju koordinata. Instrumenti kojima se određuje trodimenzionalni položaj opažane točke, istovremenim određivanjem koordinata ubrzavaju tok mjerenja, a nazivaju se tahimetri (totalne stanice). Krajem 19. stoljeća razvili su se optički tahimetri koji su u to vrijeme unaprijedili geodetska mjerenja. Krajem 1960-ih optičke tahimetre zamijenili su elektronički tahimetri. Posebna značajka u njihovom razvitku imala je primjena automatske registracije podataka, uvođenje mikroprocesora u instrument, automatizacija kompletnog mjernog procesa uz odgovarajuću programsku podršku. Takvi tahimetri danas se nazivaju totalne stanice ili mjerne stanice. U praktičnoj primjeni danas, postoje i drugi nazivi zavisno o konstrukciji: automatski tahimetar, servotahimetar, robottahimetar ili motorizirani računalni tahimetar s automatskim viziranjem.
Potpuno nove tehnologije za određivanje položaja točke na Zemlji razvijene su sustavom opažanja, korištenjem umjetnih satelita koji kruže u orbiti. Rezultati mjerenja su trodimenzionalne koordinate u geocentričnom koordinatnom sustavu. Sustav za određivanje koordinata na Zemlji korištenjem umjetnih satelita naziva se globalni pozicijski sustav (GPS). Primjena GPS-a iz temelja je promijenio klasični geodetski postupak. Geocentrične koordinate mogu se odrediti neposrednim opažanjem satelita na bilo kojem mjestu gdje je moguć prijem satelitskog signala.
Optički tahimetri građeni su na osnovi optičkog teodolita i optičkog daljinomjera. Najjednostavniji optički tahimetar je optički teodolit koji na nitnom križu dalekozora ima daljinomjerne crtice. Takav tip tahimetra zahtijeva računanje reducirane duljine i visinske razlike, te se rabi za pomoćne radove. Konstruktivni razvoj tahimetara u daljnjem periodu kretao se k tome da se na neki način automatski dobije reducirana duljina.
Razvili su se autoredukcijski tahimetri s nitima. Daljinomjerna jedinica temelji se na principu mjerenja Reichenbachovim daljinomjerom. Pri mjerenju nagnutim dalekozorom, automatski se smanjuje razmak daljinomjernih niti, te se ostvaruje autoredukcija duljine. Autoredukcijski daljinomjeri s nitima više se ne proizvode. Zamijenili su ih elektronički tahimetri zbog mogućnosti automatske registracije podataka i povezivanja s računalom.
Elektronički tahimetri su geodetski instrumenti s elektroničkim očitavanjem vodoravnog i okomitog kruga, elektrooptičkim mjerenjem dužina, te automatskom registracijom mjerenih podataka. Sastavljeni su od tri osnovne jedinice: elektroničkog teodolita, elektrooptičkog daljinomjera i mikroprocesora. Početak razvoja elektroničke tahimetrije započinje s pojavom elektroničkog daljinomjera WILD DI 10 (1968.), koji se osim samostalne primjene kao daljinomjer mogao, pomoću mehaničkog adaptera, postaviti na optičke teodolite. Kombinacijom sa sekundnim teodolitom T2 dobiven je precizni tahimetar s mogućnošću mjerenja dužina do 3000 m, sa standardnim odstupanjem do 1 cm u području do 1000 m.
Od 1970-ih započinje dinamičan razvoj elektroničkih daljinomjera kratkog dosega i time elektroničkih tahimetara. Posebno značenje u njihovom razvoju imala je primjena automatske registracije podataka, uvođenje mikroprocesora i automatizacija cijeloga mjernog procesa. Uz paralelan razvoj elektroničkih računala i programske podrške te elektroničkih crtača stvoreni su uvjeti za ostvarenje neprekinutog automatskog toka podataka – od mjerenja na terenu do konačnih rezultata u digitalnom ili analognom obliku.
Želja da se mjerno-tehničke operacije na terenu svedu na viziranje točke, a zatim da se sve prepusti mikroprocesoru, započinje se ostvarivati u razvojnim laboratorijima proizvođača instrumenata. Sljedeći korak u razvoju bio je primjena mikroprocesora u grani instrumenata, koja će omogućiti daljnju automatizaciju mjernog procesa na osnovi računanja i automatski provedenih korekcija, te rezultat tih mjerenja memorirati. Prema toj svestranoj funkciji elektronički tahimetri nazvani su i totalne stanice.
U prvo vrijeme totalne stanice izrađivale su se modularno; kao poseban modul bio je elektronički teodolit, poseban modul elektrooptički daljinomjer, te poseban modul memorija, tj. računalo. Poslije toga izrađivali su se tako da jedan modul bio elektronički teodolit i elektrooptički daljinomjer, a drugi modul računalo. U današnje vrijeme totalne stanice izrađuju se integrirano, tj. u jednom modulu su elektronički teodolit, elektrooptički daljinomjer i unutarnja memorija s računalom.
Praktičnost i prednosti totalnih su:
Početkom 1990-ih počinju se razvijati motorizirane totalne stanice s automatskim traženjem reflektora. Taj su sustav proizvođači nazvali „jedan čovjek-mjerni sustav“ (eng. on-man-system), kod kojeg više nije potreban pomoćnik za držanje reflektora. Mjeritelj, uz svoj posao, preuzima i ulogu držanja reflektora, te s točke na koju se mjeri instrumentu daje zapovijedi (upute), što treba mjeriti radiovezom preko upravljačke jedinice. Tako mjeritelj može u terensko računalo unijeti i sve informacije o mjernoj točki, koje su potrebne za zemljišni informacijski sustav tj. geoinformacijski sustav. To je princip tzv. kodirane izmjere detalja. Danas je kod svih totalnih stanica ostvaren neprekinuti digitalni tok podataka iz mjernog instrumenta u računalo i obrnuto, a pod time se podrazumijeva automatska digitalna registracija (zapis, pohranjivanje) mjerenja, daljnja obrada podataka i prikaz rezultata.
Pri podjeli totalnih stanica, osim točnosti, uzima se u obzir i opća učinkovitost i mogućnost, tj. funkcionalnost instrumenata. Prema tome, totalne stanice dijele se u četiri skupine:
Jednostavne totalne stanice su geodetski instrumenti za lokalne geodetske radove (snimanje i iskolčenja) manje točnosti. Pri njihovoj konstrukciji i razvoju posebna se pozornost obratila jednostavnosti rukovanja. Tipkovnica i sučelje - zaslon najčešće su samo u prvom položaju dalekozora. Mnogi od njih otporni su na prašinu i vodu.
Za razliku od jednostavnih totalnih stanica, standardni elektronički tahimetri su točniji, imaju kompleksniji ugrađeni softver za primjenu na terenu, veći pokazivač u oba položaja dalekozora i više pribora. Imaju mogućnost velikog izbora različitih softverskih paketa, a u neke se mogu unijeti i vlastiti programski paketi. Najčešće imaju dvoosne kompenzatore, pri čemu često kompenzator služi za postavljanje instrumenta u vodoravan položaj. Kod većine tahimetara iz ove skupine mogu se izabrati različiti programi za mjerenje dužina:
Univerzalne totalne stanice su motorizirane stanice s osjetilima (senzorima), koji uglavnom ne rade točnije od standardnih tahimetara. Rade automatski, pa mjerne zadatke mogu obaviti brže i s manje osoblja (troška). Osim toga, moguće je mjerenje i na pokretne ciljeve. Bitna karakteristika im je da imaju ugrađene motore, koji omogućuju djelomično automatiziran ili potpuno automatiziran rad.
Kod tih stanica omogućeno je da se dalekozor u drugi položaj postavi automatski pomoću motora u nekom određenom smjeru prema ciljnoj točki, a mjeritelj samo dodatno precizno vizira na ciljnu točku.
Pri automatskom radu uz pomoć motora i osjetila (senzora) može se automatsko pronalaziti reflektor na ciljnoj točki. Pomoću tog sustava moguće je grubo pronalaženje reflektora i praćenje reflektora koji se kreće. To omogućuje opažanje i na pokretne ciljeve, što prije nije bilo izvedivo.
Precizne totalne stanice imaju namjenu, kao što im i samo ime kaže, da se s njima što preciznije mjeri.
U zadnje vrijeme znatno su se razvili svi tipovi totalnih stanica. Većim brojem totalnih stanica može se upravljati preko serijskog sučelja kao što je RS232, češće preko PCMCIA, a danas radiovezom (bluetoothom) ili preko softvera u stanici. Sve totalne stanice imaju kompleksne softvere u izborniku za redukcije, transformaciju i daljnju obradu podataka, te korisnik može razviti svoj softver i unijeti ga u stanicu. Osim mjerenja dužina do reflektora ili refleksne folije, koaksijalnim stanicama može se mjeriti i bez reflektora, najčešće do 150, a neki i do 250 m. U velikom izboru pribora nalazi se laserski visak, upravljajuća svjetlost (eng. position light), grafički terenski zapisnik i drugo, a upravljanje i dijagnostika pogrešaka u instrumentu može se obaviti bluetoothom te telefonski (Internetom).
Široko područje rada u mjerenju zauzimaju mjerenja pomoću električnih osjetila (senzora) neelektričnih veličina, a tome se pribrajaju i geometrijske veličine, koje mjeritelj sa stanicom određuje. U tom smislu, moderni tahimetar je višeosjetilni (eng. multisensoric) sustav, sastavljen od optičkih, mehaničkih i elektroničkih dijelova. Instrumentom upravlja jedan ili više mikroprocesora, koji obavljaju različite zadatke. Osjetila (senzori) u stanici mogu biti geodetska i pomoćna osjetila.
Geodetska osjetila (senzori) određuju sljedeće geodetske veličine:
Sastoje se od CCD-elemenata, fotodioda, luminiscentnih dioda, faznog mjerača i dr.
Pomoćna osjetila (senzori) mjere nagib vertikalne osi stanice, temperaturu u instrumentu, temperaturu i tlak zraka, napon akumulatora, odstupanje cilja od optičke osi dalekozora (pri automatskom viziranju na cilj) i drugo.
Geodetske mjerne veličine u totalnim stanicama sastoje se od originalnih (izravnih ili čistih) mjerenih veličina, mjerenja s pomoćnih osjetila i geometrijsko-fizikalnih korekcija. Na temelju mjerenja s pomoćnih osjetila i geometrijsko-fizikalnih korekcija, popravljaju se originalne mjerene vrijednosti i prikazuju se na pokazivaču stanice. Osim mjerenja za korekturne veličine, pomoćna osjetila u tahimetrima imaju ulogu i pretvaranja upravljačkih zapovijedi iz digitalne ili analogne električne forme u mehanički rad ili svjetlost. Osjetila daju zapovijedi za pokretanje motora, za pretvaranje u mehanički rad ili daju zapovijedi za odašiljanje svjetlosti za osvjetljavanje niti u vidnom polju. Također, daju zapovijedi za osvjetljavanje pokazivača, za upravljačku svjetlost i drugo. Za pokretanje dalekozora upotrebljavaju se elektronički upravljani istosmjerni motori i koračni (servo) motori.
Dijelovi totalne stanice su:
Mehanički dijelovi sastoje se od osovina, ležaja za osovine, stezaljki, finog pogona, motora i dijelova kućišta. Optički dijelovi sastoje se od leća, prizama, filtara i djelitelja svjetlosti. Postoje različite programske podrške kao što su softver za pogon sustava stanice, softver za primjenu pri mjerenju i korisnička (specifična) programska podrška.
Kompenzatori u totalnim stanicama mjere nagib vertikalne osi stanice. Kod optičkih teodolita oni imaju ulogu da odmah kompenziraju (isprave) utjecaj nagiba vertikalne osi na očitanje vertikalnog kruga, te se odmah dobiva njegovo ispravljeno očitanje. Kod totalnih stanica za kompenzatore bi bilo pravilnije da se nazivaju mjerači nagiba vertikalne osi tahimetra. Kompenzatorom izmjereni nagib vertikalne osi kod tahimetara računski se uzima u obzir pri očitanju vertikalnog kruga.
Ako kompenzator mjeri i u smjeru vodoravne osi tahimetra, pomoću tog kompenzatora može se uzeti u obzir utjecaj nagiba vertikalne osi instrumenta u smjeru vodoravne osi na očitanje vodoravnog kruga (naročito važno kod strmih vizura). Takvi kompenzatori koji mjere nagib vertikalne osi u smjeru vizurne osi i u smjeru vodoravne osi nazivaju se dvoosni kompenzatori. Kompenzatori koji mjere samo nagib vertikalne osi u smjeru vizurne osi nazivaju se jednoosni kompenzatori. Danas gotovo sve totalne stanice imaju dvoosne kompenzatore.
Poslije približnog postavljanja tahimetra u vodoravan položaj kružnom libelom, zahvaljujući kompenzatorima dobiva se očitanje vodoravnog i okomitog kruga kao da je instrument gotovo točno postavljen u vodoravan položaj. Proizvođači geodetskih instrumenata većinom više ne ugrađuju cijevne libele, nego se funkcija cijevne libele zamjenjuje dvoosnim kompenzatorima (na zaslonu se pokazuje „digitalna libela“). Za kompenzatore (mjerače nagiba vertikalne osi) upotrebljavaju se tekućine ili mehanička njihala (visak). Razina tekućine postavlja se vodoravno, tj. okomito na smjer vertikale. Kad instrument nije postavljen u vodoravan položaj, svjetlost prolazi kroz tekućinu kao kroz klin i lomi se, a još je bolje ako svjetlost dolazi s donje strane tekućine, pa na gornjoj strani plohe dolazi do totalne refleksije. Tada je pomak zrake svjetlosti veći, što omogućuje točnije određivanje nagiba vertikalne osi tahimetra.
Za kompenzatore se upotrebljava i mehaničko njihalo (visak), u spoju sa zavojnicama ili kondenzatorima, međutim, većina proizvođača za kompenzatore upotrebljava tekućinu.[3]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
