Statii Totale

STAȚII TOTALE

3.3.1. Prezentare generală

Stațiile totale fac parte din generația nouă a instrumentelor topografice având, în principiu, funcționalitatea unui tahimetru clasic. Apariția, perfecționarea continuă, răspândirea și folosirea lor aproape în exclusivitate, că și confirmarea avantajelor de precizie, de confort în manevrare și randament, au făcut din stațiile totale simbolul, activității topografului modern. Stațiile totale (ST) sunt instrumente electronice capabile să determine în teren majoritatea elementelor topografice (unghiuri, distanțe, diferențe de nivel, suprafețe), să efectueze prin intermediul unor softuri integrate numeroase calcule topografice și să stocheze datele din teren în memorii electronice. Denumirea generică de stații totale sau inteligente s-a impus din literatura străină, prin publicațiile de specialitate editate în limbile producătorilor de instrumente (engleză, germană).

În structură unei stații totale sunt incluse aceleași axe, aceleași organe principale și aceleași mișcări ale instrumentelor clasice cunoscute, la care se adaugă partea electronică încorporată în aceeași carcasă.

Axele stației totale, ca linii imaginare, de referință, concurente într-un punct sunt (figură 3.22)

– Axa principală, VV’, care în poziție de lucru trebuie să fie verticală și perpendiculară, prin construcție, pe cercul orizontal (limb) în centrul lui, fiind materializată prin firul cu plumb sau fascicolul laser;

– Axa secundară, H-H’, în jurul căreia basculează luneta, perpendiculară pe axa principală și pe cercul vertical (eclimetru) în centrul lui, care devine orizontală în timpul măsurătorilor. Un capăt al axei secundare este marcat pe carcasa, servind astfel la determinarea înălțimii apăratului;

– Axa lunetei, LL’, perpendiculară pe axa secundară, reunește centrele optice și focarele lentilelor care compun luneta. Intersecția firului reticular orizontal (fro) cu cel vertical (frv), ca punct material, trebuie să se găsească pe această axă.

Mișcările de rotație ale lunetei în plan orizontal, în jurul axului principal și în plan vertical, în jurul axului secundar, permit vizarea spre orice semnal, indiferent de poziția lui în spațiu. Prin convenție, lunetă se consideră în poziția I când, privind prin ocular, eclimetrul se află în stânga și în poziția a II-a când este în dreapta.

Practic, mișcările în plan orizontal și vertical sunt controlate prin butoane sau pârghii de blocare și șuruburi de fină mișcare, care permit vizarea precisă a unei direcții sau punctarea unui semnal.La unele modele parghiie de blocare lipsesc, astfel încât pentru rotirea lunetei în cele două plane trebuie învinsă o ușoară rezistență.

Aspectul general al unei stații totale este asemănător cu al unui instrument optic (clasic), având puține diferențe vizibile. Structură internă este însă complexă, astfel ca pentru prezentarea generală se încearcă o grupare a diverselor organe și dispozitive componente.

3.3.2. Componenta mecanică

Ambaza, de forma triunghiulară sau rotunjită constituie partea inferioară a stației, cu rol în prinderea pe trepied și în realizarea calării (figura 3.23). Efectiv, în componența ei se disting trei șuruburi de calare, care acționate convenabil permit orizontalizarea limbului și verticalizarea axei principale, placa rigidă ce calcă pe masă trepiedului și placa flexibilă, care servește la fixarea aparatului pe trepied, prin infiletarea șurubului pompă.

Alidada, sprijinită pe ambază, are rolul de a susține cercul orizontal și construcția superioară (figura 3.22).Pe furcile alidadei se sprijină lunetă, cercul vertical și lăcașul pentru bateria de acumulatori.

Cercurile reprezintă părți esențiale ale instrumentului ce permit măsurarea direcțiilor prin citirea gradațiilor astfel (figura 3.22):

Limbul sau cercul orizontal, are rolul de a indica directia- dată de proiecția axei de viză în planul orizontal al cercului- și pe această bază deducerea unghiurilor orizontale;

Eclimetrul sau cercul vertical servește la măsurarea unghiurilor în plan vertical. După opțiunea operatorului și în funcție de originea gradațiilor se măsoară unghiul de înclinare ⱷ, cel zenital z, sau panta procentuală, p %=100*tg ⱷ prin utilizarea unor taste de selectare (figura 3.24).

Constrcutiv, ambele cercuri au diametre de 20-25 cm, fiind „ascunse” în carcasa instrumentului.

3.3.3. Componenta optică

3.3.3.1. Luneta

Structura lunetei este astfel concepută și realizată încât permite vizarea semnalelor îndepărtate, respectiv apropierea aparentă a lor sub forma unei imagini clare. Efectiv, ca părți componențe principale distingem două tuburi coaxiale montate pe axa geometrică: tubul obiectiv, ce conține sistemul de lentile obiectiv, lentilă de focusare, planul reticul și tubul ocular, ce culisează în interiorul obiectivului și are în componența sa lentile ocular (figura 3.28).

Planul reticul este format dintr-o placă transparentă, susținută de patru șuruburi Si antagoniste, pe care sunt gravate firele reticulare orizontal si vertical (figura 3.29). Intersecția acestora definește împreună cu cercul optic al obiectivului axa de vizare, ce trebuie să coincidă, cu axa optică a lunetei, definită de focarele și centrele optice ale tuturor lentilelor componente.

Formarea imaginii se poate urmări pe etape, astfel (figura 3.30):

Obiectul vizat AB, aflat între infinit și focarul dinspre obiect, este văzut prin obiectiv și dă imaginea A’B’ reală, răsturnată și mai mică, amplasată între ocular și focarul sau, F oc;

Ocularul preia această imagine, rezultând imaginea A” B” virtuală și mărită, tipică unei lunete astronomice;

O lentilă inversoare redresează imaginea, transformând-o în imagine dreaptă, specifică unei lunete terestre.

3.3.3.2. Dispozitivul de centare

Instalarea apăratului în stație în poziție de lucru presupune calarea și centrarea lui. Ultima condiție cere aducerea axului principal VV’ la verticală puncului matematic al stației, ce se realizează provizoriu cu firul cu plumb și se definitivează cu sisteme perfecționate ale stației totale.

Dispozitivul optic, comun cu al apratelor clasice, este montat la ambază, fiind format dintr-o lunetă în miniatură, un plan reticul gravat cu un reper central și o prisma deviatoare fixată în axul vertical (figura 3.33a). Razele vizuale care pătrund prin ocular sunt deviate cu un unghi drept astfel încât, dacă instrumentul este calat și reperul încadrează punctul matematic, axul principal se găsește la verticală acestuia și centrarea este asigurată.

Dispozitivul laser sau firul laser din dotarea stațiilor de ultimă generație folosește, în loc de raze vizuale, un fascicul laser sub 2 mm grosime, de intensitate reglabilă astfe încât să fie vizibil și în lumina puternică a zilei (figura 3.33b). Alimentarea dispozitivului este separată de cea a instrumentului, conferindu-i autonomie.

Avantajele firului laser sunt evidente: randament superior dat de observarea directă a fasciculului, stabilitate în cazul vântului, precizie de centrare submilimetrică, autonomie asigurată de alimentare proprie etc.Pe baza acestor performanțe, majoritatea firmelor construiesc în prezent ambaje independente cu fascicul laser încorporat, care se pot atașa și la instrumentele de tip clasic sau la stațiile totale mai vechi (figura 3.33c).

3.3.4. Componenta electronică

3.3.4.1. Microprocesorul

Poziția dominanta în cadrul structurii electronice a stației totale este deținută de microprocesor ca unitate centrală, înglobată într-un singur circuit integrat, caracterizată în principal de frecvența de lucru și realizând funcții multiple:

Rezolvarea unor operații matematice pe baza programelor încorporate în memorie, respectiv media unor mărimi măsurate succesiv, compensarea unghiurilor în tur de orizont, distanța redusă la orizont, diferența de nivel, coordonatele punctului radiat, orientarea din coordonate, intersecția înainte și înapoi, distanța între puncte radiate, suprafața, corecția de curbură s.a.;

Monitorizarea stării generale a stației totale, ce vizează calarea-inclusiv blocarea lucrului în cazul deteriorării ei-gradul de încărcare a bateriei de acumulatori, intensitatea semnalului recepționat de EDM și protejarea față de semnalele puternice, sesizarea și afișarea erorilor de funcționare a aparatului s.a. Unele stații, dotate cu senzori pentru temperatură și presiune atmosferică, le măsoară în fiecare secundă, corecțiile fiind determinate instantaneu și aplicate fiecărei măsurători;

Determinarea corecțiilor de adus citirilor la cercul vertical și orizontal, în funcție de micile abateri ale axei principale de la verticală, prin intermediul compensatoarelor electronice biaxiale sau triaxiale.

3.3.4.2. Dispozitivul EDM

În principiu, măsurarea electronică a distanțelor se realizează în cadrul stației totale cu dispozitivul EDM (Electronic Distance Measurement), folosind unde din spectrul electromagnetic.Se folosesc, de regulă, unde cu lungimi de undă mici că purtătoare de semnal și unde cu lungimi de unda mare ca semnale pe care se realizează măsurătorile. Din punct de vedere constructiv, EDM este amplasat în sau pe lunetă, undele fiind emise respectiv de-a lungul sau paralel cu axul de viză.

3.3.4.3. Memoria electronică

Colectorul de date sau memoria electronică înlocuiește carnetul de teren folosit la apăratele clasice.La început, când pentru memorare s-a folosit întroducerea manuală a unuia sau a tuturor elementelor măsurate, memoriile au fost puțin satisfăcătoare, întrucât consumau atât din timpul de teren, cât și din energia bateriei.În prezent s-au impus cele în care datele măsurate sunt afișate și transferate automat în memoria internă sau în cea a carnetului electronic.

Funcțiile memoriei unei stații totale sunt importante, vizând în principal:

– Depozitarea, în structuri ordonate, a informațiilor, respectiv a datelor achiziționate prin măsurători și a celor prelucrate pe teren;

– Locația unor programe de calcul (softuri) pentru procesarea pe loc a unor elemente topografice, a structurii meniurilor de funcții și a codurilor ce se atribuie punctelor;

– Descărcarea datelor (download) culese din teren prin trecerea lor în computer, folosind interfața și cablul corespunzător;

– Încărcarea memoriei (upload), ca operație inversă, prin tranferul din computer a unor programe sau date necesare în teren.

3.3.4.4. Panoul de afișaj și comandă

În ansamblu, această grupare de elemente constituie baza comunicării bilaterale operator-statie, hotărâtoare în modul de funcționare al ansamblului.

Tastele de comanda sunt grupate de regulă într-un panou orientat spre operator, cu forme ce variază ca mărime și complexitate, existând tendința simplificării și accesibilității comenzilor.

Tastatura conține o serie de taste, fiecare cu una sau mai multe funcții, ce servesc pentru transmiterea comenzilor de la operator către stația totală: de pornire/oprire (ON/OFF), de selectare a modului de lucru, a funcțiilor, meniurilor și submeniurilor, pentru întroducerea de valori numerice sau text și chiar de vizare- în cazul stațiilor telecomandate (figura 3.50).

Displayul (ecranul de afișare) reprezintă interfața de comuinicare între operator și stația totală pe care sunt afișate mesajele de la stație la operator referitoare la valorile măsurate (unghi orizontal, vertical, distanța), meniul folosit, modul de lucru, coordonatele punctului vizat, coduri.În plus, pot apare informații privitoare la cosntanta prismei, corecția atmosferică, starea bateriei și mesaje de autodiagnoză în cazul unor probleme în funcționare sau a unor erori apărute în comunicarea microprocesorului cu diferite componente s.a.

Ca mod de realizare, displayul a fost mai întâi conceput cu diode luminoase respectiv cu LED-uri (Light Emitting Diode), dar în prezent se realizează exclusiv cu cristale lichide sau sistem LCD (Liquid Crystal Display), caracteristică lor principală fiind numărul de linii afișate și numărul caractere/linie.În general stațiile totale au un singur ecran de afișare, dar unele modele au două display-uri, corespunzătoare poziției I și a II-a a lunetei.

3.3.4.5. Bateria de acumulatori

Energia electrică necesară funcționării stației totale este asigurată de bateria de acumulatori, făcând astfel posibile toate operațiile necesare: măsurare, funcționarea microprocesorului, comunicarea mesajelor pe display, iluminarea reticulului și a displayului, emiterea semnalelor sonore sau luminoase de avertizare etc.

Ca amplasament, bateria este amplasată pe una din furcile alidadei, într-un lăcaș special ce asigură o prindere etanșă. Acumulatorii care o compun sunt pe baza de NiCd (nichel și cadmiu), NiMH (nichel metal hibrid) sau LiI (litiu ionic), fiecare stație totală fiind prevăzută cu minimum două baterii, folosite și încărcate alternativ.

Încărcătorul trebuie corelat întotdeauna cu bateria pe care o deservește, în strictă conformitate cu cartea tehnică. Stațiile de ultimă generație au încărcătoare inteligențe, cu un microprocesor propriu, capabil să recunoască tipul de baterie și să gestioneze optim încărcarea, reducând timpul de la 12-14 ore la 70-90 minute.

3.3.5. Auxiliare și anexe

Trepiedul servește ca suport pentru așezarea instrumentului în stație la verticală punctului matematic. Condiția este obligatorie pentru efectuarea măsurătorilor din teren și este favorizată prin instalarea trepiedului într-o poziție corespunzătoare. Cele trei picioare sunt culisante și se termină la partea inferioară cu câte un sabot metalic.La partea superioară sunt articulate la o platformă sau masă, pe care se așează aparatul, având în centrul ei un lăcaș circular, prin care trece șurubul pompă sau de presiune, la care se atașează firul cu plumb (figura 3.37). Din considerente ergonomice, trepiedul se instalează cu masa aproximativ la nivelul pieptului, caz în care lunetă, în poziție aproximativ orizontală, se află la nivelul ochiului operatorului.

Nivelele sunt dispozitive care indică starea de verticalitate a axului vertical al apăratului în cadrul operației de calare indirect, prin orizontalitatea alidadei.

După aspectul constructiv, nivelele stațiilor totale pot fi:

– Sferice, formate dintr-un cilindru acoperit cu o calota sferică de sticlă, pe care este trasat, în punctul cel mai înalt, un cerc reper (figură 3.38). Interiorul este umplut incomplet cu un lichid fluid și punct de îngheț coborât (alcool, eter, sulfură de carbon), iar bula de aer remanentă este de fapt ocupată de vapori saturați, care se află în echilibru cu lichidul din care provin. Întreg ansamblul este protejat de o carcasă care este fixată de alidadă prin trei șuruburi de rectificare, dispuse în plan în vârfurile unui triunghi echilateral.

Nivelele sferice servesc la calarea aproximativă a aparatului, indicată de bula nivelei, ce rămâne în interiorul cercului reper.

– Torice, alcătuite dintr-un tub curbat din sticlă cu rază de curbură R mare, umplut incomplet ca la nivelă sferică.Pe partea superioară a torului sunt trasate gradații echidistante la 2 mm, simetric față de punctul cel mai înalt, două dintre ele, mai lungi, reprezentând reperele între care trebuie să se încadreze bulă; în această poziție directricea la nivelă este orizontală. Tubul din sticlă se află într-un montaj fix la un capăt și articulat la altul cu un șurub de reglare (figură 3.39).

– Electronice, care apar pe displayul stației ca două nivele torice aflate pe direcții perpendiculare (figura 3.40). Orizontalizarea se face pe baza unor senzori electronici, locul bulei fiind luat de un reper punctual, care trebuie de asemenea încadrat între liniile centrale.

Montajul perpendicular al celor două nivele și poziția ambelor repere între liniile de referință garantează direct calarea instrumentului.