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
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TEODOLITE ELETTRONICO
 assenza leva ripetizione
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I CERCHI DEL TEODOLITE ELETTRONICO
In relazione a ciò che viene riportato sui cerchi, la lettura elettronica avviene con:
CERCHI 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).
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 sua superficie
(naturalmente è possibile fissare un’origine logica convenzionale).
In relazione alle modalità di lettura elettronica si ha:
LETTURA STATICA: il cerchio rimane, come in un teodolite ottico, solidale al
basamento. La lettura ai cerchi codificati è sempre statica.
LETTURA 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.
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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), esattamente allineata
con una batteria di sensori
posta sotto al cerchio, in grado
di trasformare un segnale
luminoso in uno elettrico.
Le tracce opache non
lasciano passare la luce emessa dal diodo e in corrispondenza 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
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LETTURA DEI CERCHI CODIFICATI
immaginiamo di sviluppare le prime quattro tracce della codifica sul cerchio partendo dall’origine.
1/16 12c,5
1/8
1/4
1/2
batteria
led/sensori
lettura digitale: 0101 = 5 (5/16 di 400c= 125c 12,5c)
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 ±12c,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, 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.
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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, assai meno (es. 1.000) se la
lettura è dinamica.
Sopra le tracce è collocato un LED,
allineato con un 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).
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LETTURA INCREMENTALE STATICA
0
La lettura incrementale statica (a
cerchio fermo) fornisce una lettura “per
differenza”. Sul cerchio non è
presente alcuna origine fisica, né
alcun valore numerico, ma solo tratti
uguali. La lettura avviene tramite
“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 = 400C/12500 = 0C,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=.
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LETTURA INCREMENTALE STATICA
Immaginiamo di sviluppare la corona nel tratto compreso tra due posizioni assunte
dall’alidada:
0
1a pos.
n = 3504
lettura digitale:
2a pos.
3504 * 0C,016 = 56C,064 0C,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, 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, in modo
tale che la luce, passante per il cerchio e per questa seconda scala, produca
delle frange di interferenza, denominate “frange di Moirè”.
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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.
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LETTURA INCREMENTALE DINAMICA
Uno degli errori di cui è affetta la misura incrementale statica è l’errore residuo
di 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 T2002, 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, rotazione (a strumento fermo)
impressa da piccoli servomotori. Con esso
si raggiungono precisioni di 2=.
Il segnale luminoso, tradotto dai sensori
fotoelettrici in segnale elettrico, non è più
un segnale statico, ma una vera e propria
onda elettromagnetica quadra (perché
generata dai due stati digitali) dovuta al
fatto che il cerchio ruota continuamente.
Wild T2002
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LETTURA INCREMENTALE DINAMICA
Questo segnale, variabile nel tempo e dipendente dalla rotazione del 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, 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.
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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 T2002 è: 0 =
400C/1024 = 0C,390625, essendo 0
l’unità di graduazione (la più piccola
parte di graduazione del cerchio).
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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.
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ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI
Topcon DT100
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ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI
Leica T110
Pentax PTH10
Sokkia DT500
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ESEMPI DI TEODOLITI ELETTRONICI
Pentax eth300
NorthWest neth20
Sokkia DT600
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TEODOLITI INTEGRATI
e TOTAL STATION
TEODOLITI 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).
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ESEMPI DI STAZIONI TOTALI
Leica TCR110
Pentax R300
Topcon GTS6
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ESEMPI DI STAZIONI TOTALI
Sokkia 30R
Leica TPS400
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ESEMPI DI STAZIONI TOTALI
Topcon GTS605
Trimble 5601
Sokkia 330R
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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.
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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
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LA MEMORIZZAZIONE DELLE MISURE
Le misure effettuate dalle ST (ma
anche i dati calcolati) possono essere
rapidamente 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).
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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; queste operazioni sono più rapide e più
precise di quelle effettuate con le relative tecniche manuali.
Con il sistema di puntamento 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.
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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.
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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.
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ESEMPI DI STAZIONI ROBOTIZZATE
Trimble 5600 GPS
Sokkia 110 M
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ESEMPI DI STAZIONI ROBOTIZZATE
Topcon AP-L1
Leica TPS1200
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ESEMPI DI STAZIONI ROBOTIZZATE
Topcon
GTS-800A
Wild Leica TM1100
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