MODULO G METODI STRUMENTI E TECNICHE DI MISURA

MODULO G METODI, STRUMENTI E TECNICHE DI MISURA DEGLI ANGOLI UNITÀ G 2 -2 I GONIOMETRI ELETTRONICI Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. ,

CONFRONTO TRA TEODOLITI OTTICI ED ELETTRONICI I teodoliti elettronici consentono di misurare gli angoli in maniera automatica (dopo aver collimato i segnali) usando componenti elettroniche. Sono strumenti identici dal punto di vista meccanico ai teodoliti tradizionali, ma le letture ai cerchi avvengono elettronicamente, sono poi visualizzate su un piccolo display ed eventualmente memorizzate Nel confronto con i tradizionali teodoliti ottici, i teodoliti elettronici presentano le seguenti particolarità: assenza del microscopio TEODOLITE OTTICO presenza batteria presenza display sostituzione dei cerchi a lettura ottica con cerchi a lettura elettronica Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , TEODOLITE ELETTRONICO assenza leva ripetizione 2

I CERCHI DEL TEODOLITE ELETTRONICO In relazione a ciò che viene riportato sui cerchi, la lettura elettronica avviene con: con CERCHI CODIFICATI: CODIFICATI permettono di conoscere automaticamente la posizione assoluta dell’indice di lettura all’interno del goniometro, quindi dall’origine di cui sono dotati questi cerchi (come avviene in quelli a lettura ottica). ottica CERCHI A MISURA INCREMENTALE (o per conteggio): consentono di misurare una posizione angolare relativa rispetto a una precedente. In questo caso il cerchio non è dotato di un’origine fisica riconoscibile sulla superficie (naturalmente è possibile fissare un’origine logica convenzionale). In relazione alle modalità di lettura elettronica si ha: ha LETTURA STATICA: il cerchio rimane, come in un teodolite ottico, solidale al basamento. La lettura ai cerchi codificati è sempre statica. LETTURA DINAMICA: DINAMICA il cerchio subisce una rotazione costante, prodotta da micromotori (dunque indipendenti dalle rotazioni dell'alidada) continuamente attivi durante la misura. Essa ha lo scopo di eseguire la lettura in parti diverse del cerchio. La lettura ai cerchi a misura incrementale può essere statica o dinamica. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 3

I CERCHI CODIFICATI Sulla loro superficie viene riportata una serie (solo apparentemente complessa) di tracce opache alternate ad altre trasparenti Sopra al cerchio è collocata una batteria di LED (diodi luminosi), luminosi) esattamente allineata con una batteria di sensori posta sotto al cerchio, in grado di trasformare un segnale luminoso in uno elettrico. a e n i ig ic fis Or Le tracce opache non lasciano passare la luce emessa dal diodo e in corrispon-denza il sensore non rilascia alcun segnale elettrico. batteria LED/sensori batteria LED Le tracce trasparenti lasciano passare la luce e in corrispondenza dal sensore viene rilasciato segnale elettrico. sensori Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 4

LETTURA DEI CERCHI CODIFICATI immaginiamo di sviluppare le prime quattro tracce della codifica sul cerchio partendo dall’origine. 1/16 12 c, 5 1/8 1/4 1/2 batteria led/sensori lettura digitale: 0101 = 5 (5/16 di 400 c= 125 c 12, 5 c) NOTA: in un cerchio codificato la corona più significativa è quella esterna L’errore massimo in questo esempio (poco realistico) è la metà della più piccola suddivisione, cioè ± 12 c, 5. È chiaro che una lettura angolare con errore così alto è insufficiente; ma è anche chiaro che aumentando il numero delle tracce si riduce progressivamente l’incertezza della lettura. Tuttavia non ci si può spingere di molto su questa strada, sia per problemi di spazio fisico sulla corona circolare del cristallo, sia per il numero dei fotodiodi che sarebbero necessari. In effetti l’apparato di lettura dispone di un secondo sistema di lettura fine, fine che permette la lettura delle frazioni delle più piccole parti intere nelle quali è suddiviso il cerchio, in analogia con quanto già visto nei teodoliti tradizionali con i micrometri ottici Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 5

I CERCHI A LETTURA INCREMENTALE Sono solidali al basamento e la loro superficie è suddivisa in tracce radiali opache alternate ad altre trasparenti della stessa dimensione, senza alcuna numerazione Il numero di queste tracce dipende dal tipo di lettura adottata nel teodolite: sono molte (es. 20. 000) se la lettura è statica, statica assai meno (es. 1. 000) se la lettura è dinamica Sopra le tracce è collocato un LED, LED allineato con un sensore, sensore posto sotto al cerchio, in grado di trasformare un segnale luminoso in uno elettrico; essi costituiscono l’indice di lettura digitale e sono solidali all’alidada. Durante la rotazione relativa tra cerchio e gruppo fotoelettrico si genera un sistema di segnali binari in corrispondenza del raggio luminoso che attraversa (tracce trasparenti) oppure non attraversa il cerchio (tracce opache). Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 6

LETTURA INCREMENTALE STATICA 0 La lettura incrementale statica (a cerchio fermo) fornisce una lettura “per differenza” Sul cerchio non è presente alcuna origine fisica, fisica né alcun valore numerico, numerico ma solo tratti uguali. La lettura avviene tramite “CONTEGGIO” CONTEGGIO degli n tratti che il sistema fotoelettrico rileva durante la rotazione dell’alidada. 0: unità di graduazione Facciamo riferimento a un cerchio ipotetico su cui sono stati ricavati 12500 tratti chiari e altrettanti scuri. Pertanto a ciascun intervallo minimo 0 della graduazione del cerchio corrisponde un’ampiezza di: 0 = 400 C/12500 = 0 C, 032 = 320= (secondi centesimali) Eseguendo le letture diametralmente opposte ottenute proiettando un tratto della graduazione sul lembo opposto, si ottiene il valore più significativo della graduazione, pari alla metà del valore precedente, cioè 160=. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 7

LETTURA INCREMENTALE STATICA Immaginiamo di sviluppare la corona nel tratto compreso tra due posizioni assunte dall’alidada: 0 1 a pos. n = 3504 lettura digitale: 2 a pos. 3504 * 0 C, 016 = 56 C, 064 0 C, 016 Anche in questo caso, la sola graduazione non garantisce la necessaria precisione, dunque il sistema deve essere dotato di un dispositivo di interpolazione per la lettura fine con la quale si possono raggiungere precisioni dell’ordine secondo. Nella lettura statica il sistema interpolatore è in genere costituito da una seconda graduazione, graduazione incisa su un piccolo vetrino di cristallo solidale all’alidada (o al cannocchiale per le distanze zenitali) interposto alla graduazione principale del cerchio in prossimità del sensore ottico, ottico in modo tale che la luce, passante per il cerchio e per questa seconda scala, produca delle frange di interferenza, interferenza denominate “frange di Moirè”. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 8

LETTURA AFFINATA: FRANGE DI MOIRÈ Si tratta di una successione di segnali luminosi che passano dal nero al bianco attraverso una serie continua di sfumature grigie Queste sfumature vengono “lette” a loro volta con altri sensori digitali (CCD) che le ricevono e che sono in grado di misurare i livelli di grigio delle frange così prodotte. In effetti il segnale ottico viene convertito in forma digitale, quindi viene misurato lo sfasamento dell’onda interferometrica così osservata, con una sensibilità pari o migliore di 1/100 del minimo intervallo della graduazione principale 0. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 9

LETTURA INCREMENTALE DINAMICA Uno degli errori di cui è affetta la misura incrementale statica è l’errore residuo di graduazione: graduazione questo errore è inevitabile, ma, come sappiamo, nei teodoliti ottici si riduce con il metodo della reiterazione o della ripetizione Nel metodo di lettura dinamica è invece possibile tenere in considerazione tutte le suddivisioni di ogni parte del cerchio a ogni singola lettura angolare. Ciò è permesso dalla rotazione costante impressa al cerchio durante la misura Nello strumento Leica Wild T 2002, il cerchio ( = 52 mm) è diviso in 1024 intervalli identici trasparenti/opachi, tutti osservati a ogni misura attraverso una rotazione costante e completa del cerchio, cerchio rotazione (a strumento fermo) impressa da piccoli servomotori. Con esso si raggiungono precisioni di 2=. Wild T 2002 Il segnale luminoso, luminoso tradotto dai sensori fotoelettrici in segnale elettrico, elettrico non è più un segnale statico, statico ma una vera e propria onda elettromagnetica quadra (perché generata dai due stati digitali) dovuta al fatto che il cerchio ruota continuamente. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 10

LETTURA INCREMENTALE DINAMICA Questo segnale, variabile nel tempo e dipendente dalla rotazione del cerchio, cerchio proviene da due barriere di fotodiodi opportunamente predisposte, una solidale all’alidada (R) e posizionata sulla parte interna del cerchio (indice di lettura), e la seconda (S) fissa al basamento ed esaminante la parte esterna dello stesso cerchio (origine della graduazione, dunque la lettura è di tipo assoluto). Durante la rotazione del cerchio il segnale luminoso a onda quadra, trasformato dai fotodiodi in segnale elettrico, elettrico permette a ogni istante t (la completa rotazione del cerchio avviene in 338 ms) di misurare lo sfasamento fra i due segnali S e R e di mediare tutte le numerosissime misure di sfasamento eseguite in questo breve intervallo di tempo. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 11

LETTURA INCREMENTALE DINAMICA La misura di questo sfasamento costituisce la misura “fine” dell’angolo (analogamente ai distanziometri ad onde). L’angolo che, dal centro di rotazione è sotteso tra il sensore S solidale al basamento e quello R solidale all'alidada sarà uguale a: = n 0 + n è una costante intera che si ricava dal conteggio del numero di chiaro/scuri osservati dal sensore S o da quello R. n 0 rappresenta la misura “approssimata” dell’angolo , e la misura “affinata” Nel caso del Wild T 2002 è: 0 = 400 C/1024 = 0 C, 390625, essendo 0 l’unità di graduazione (la più piccola parte di graduazione del cerchio). Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 12

LETTURA INCREMENTALE DINAMICA Per eliminare l’errore di eccentricità dell’alidada, sia i sensori S che i sensori R sono in realtà coppie di sensori diametralmente opposti Una CPU presiede al trattamento statistico (media, scarti, ecc. ) delle numerosissime misure che danno poi luogo sia alla lettura orizzontale che a quella zenitale. La misura e il calcolo avvengono per entrambi i cerchi (CO e CV) in meno di un secondo. È anche possibile predisporre lo strumento per la lettura continua (veloce) che può avvenire a cadenza di 0. 1 sec o di 0. 15 sec. Naturalmente in questo caso diminuisce la precisione di lettura (il cerchio esegue solo una rotazione parziale). Per il cerchio orizzontale, S (come già detto) è posto nella posizione convenzionale dello zero della graduazione (origine), per il cerchio verticale S è in direzione dello zenit mentre R è nella direzione del cannocchiale. Il sistema di lettura, dunque, è un sistema assoluto Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 13

ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. ,

ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI Topcon DT 100 Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 15

ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI Leica T 110 Pentax PTH 10 Sokkia DT 500 Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 16

ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI Pentax eth 300 North. West neth 20 Sokkia DT 600 Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 17

STAZIONI TOTALI Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. ,

TEODOLITI INTEGRATI e TOTAL STATION TEODOLITI INTEGRATI: INTEGRATI sono teodoliti elettronici provvisti di misuratore di distanze EDM (Electronic Distances Meter), coassiale con il cannocchiale. Questo assume una forma a sezione quadrangolare al posto di quella classica circolare, e possiede dimensioni maggiori per far posto al dispositivo EDM. STATIONI TOTALI : sono teodoliti elettronici integrati in grado di eseguire in modo automatico, durante le sessioni di misura, una prima elaborazione dei dati di campagna svolgendo opportuni programmi preinstallati. Tali elaborazioni utilizzano le misure eseguite dallo strumento stesso, ma anche i dati e i parametri non rilevati forniti dall’operatore tramite una più o meno estesa tastiera alfanumerica (con tasti multifunzione per limitare ingombri e costi). Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 19

ESEMPI DI STAZIONI TOTALI Leica TCR 110 Pentax R 300 Topcon GTS 6 Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 20

ESEMPI DI STAZIONI TOTALI Sokkia 30 R Leica TPS 400 Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 21

ESEMPI DI STAZIONI TOTALI Topcon GTS 605 Trimble 5601 Sokkia 330 R Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 22

I COMPENSATORI ASSIALI Le stazioni totali sono poi dotate di un dispositivo chiamato compensatore mono o biassiale, costituito da sensori in grado di rilevare e valutare le deviazioni degli assi primario e secondario del teodolite. La funzione di questo basilare dispositivo è quella di correggere in ogni momento gli errori angolari dovuti agli sbandamenti degli assi di rotazione, dunque gli errori dovuti a una eventuale deviazione dalla verticale dell’asse principale ed una mancata orizzontalità dell’asse di rotazione del cannocchiale, fornendo sul display l’angolo corretto da tali errori. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 23

L’INTERFACCIA TASTIERA/DISPLAY La tastiera delle ST permette le seguenti essenziali operazioni: - configurazione dello strumento - selezione delle misure da effettuare - introduzione di dati da elaborare Il display multilinea permette la visualizzazione di: - menù di configurazione - menù di selezione delle misure - misure effettuate e dati calcolati Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 24

LA MEMORIZZAZIONE DELLE MISURE Le misure effettuate dalle ST (ma anche i dati calcolati) calcolati possono essere rapidamente memorizzate, memorizzate eliminando la necessità della loro trascrizione manuale nei registri di campagna. Ciò si traduce in una maggior rapidità nel lavoro di campagna e nella conseguente eliminazione di tutti gli errori di trascrizione o di interpretazione dei dati inseriti nel tradizionale registro di campagna. Le misure eseguite (angoli e distanze), i valori calcolati (coordinate di punti, scarti, ecc. ), e i dati introdotti dalla tastiera (coordinate, altezza del prisma, note, ecc. ), possono essere memorizzati in una delle seguenti collocazioni: . - nella memoria interna della ST (capacità di memorizzazione limitata); - in schede di memoria esterne, perlopiù di tipo PCMPCIA (con capacità di memorizzazione di fatto illimitata). Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 25

STATIONI TOTALI ROBOTIZZATE Alcune stazioni totali sono robotizzate e dotate di servomotori a più velocità che consentono di eseguire in modo automatico, attraverso movimenti meccanizzati e opportuni prismi a 360°, le procedure di collimazione e di misura; misura queste operazioni sono più rapide e più precise di quelle effettuate con le relative tecniche manuali. Con il sistema di puntamento automatico, automatico ad esempio, è sufficiente indirizzare approssimativamente il cannocchiale nella direzione del prisma. Lo strumento esegue automaticamente la ricerca e il centramento del reticolo sul segnale (prisma) con una precisione della collimazione superiore a quella che si raggiunge con l’occhio umano e senza la necessità di dover manovrare continuamente le viti dei piccoli movimenti. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 26

MODULO DI COMANDO REMOTO Le misure possono poi essere eseguite da un solo operatore dal punto in cui si trova il segnale (prisma), in quanto non è necessaria una presenza umana accanto allo strumento. Infatti, lo strumento rivolto verso il prisma lo aggancia e lo segue negli spostamenti. La stazione totale viene controllata e comandata via radio a distanza dal punto da rilevare mediante un modulo remoto che ha tutte le funzioni presenti sulla tastiera dello strumento, e che, quindi, permette anche di acquisire i dati della misura. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 27

ROBUSTEZZA DELLE STAZIONI TOTALI Le stazioni totali sono la punta tecnologica della strumentazione topografica, tuttavia non si deve pensare a strumenti delicati e complicati e da usare con circospezione. Al contrario sono anche strumenti solidissimi, che possono essere usati per lunghi periodi in condizioni proibitive con relativa semplicità. Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 28

ESEMPI DI STAZIONI ROBOTIZZATE Trimble 5600 GPS Sokkia 110 M Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 29

ESEMPI DI STAZIONI ROBOTIZZATE Topcon AP-L 1 Leica TPS 1200 Copyright © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 30

ESEMPI DI STAZIONI ROBOTIZZATE Topcon GTS-800 A Wild Leica. Copyright TM 1100 © 2009 Zanichelli editore S. p. A. , 31