GEODÄTISCHES INSTITUT Übung Vermessungskunde II 1. Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Messtrupp: Janin Wach, Susan Mittag, Jana Schmidt, Ines Weyhmann, Manuela Pötzsch Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Inhalt: Seite 1. Darstellung wesentlicher Fehlereinflüsse bei der Streckenmessung 4 1.1 Einfluss der Atmosphäre 4 1.2 Fehler der Modulationsfrequenz 4 1.3 Auflösevermögen 5 1.4 Zyklischer Phasenfehler 5 1.5 Phaseninhomogenität 7 1.6 Nullpunktsabweichung 8 2. Darstellung wesentlicher Fehlereinflüsse bei der Winkelmessung 10 2.1 Stehachsfehler 10 2.2 Zielachsfehler 10 2.3 Höhenindexfehler 10 2.4 Kippachsfehler 11 2.5 Kreisteilungsfehler 11 2.6 Kreisteilungsexzentrizität und Zeigerarmknickung 12 2.7 Exzentrizität der Zielachse 12 3. Praktische Untersuchungen zur Streckenmessgenauigkeit 14 3.1 Bestimmung der Additionskorrektur sowie deren Genauigkeit durch Sollstreckenvergleich 14 3.2 Bestimmung der Additionskorrektur durch Streckenmessung in allen Kombinationen 16 3.3 Bestimmung von Phaseninhomogenitäten 18 2 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Seite 3.4 Frequenzprüfung 19 3.4.1 Vorbereitung 19 3.4.2 Kalibrierung des Frequenzzählers 19 3.4.3 Kontinuierlich frequenzstrahlende EDM 19 3.4.4 Gepulst frequenzstrahlende EDM 20 4. Praktische Untersuchungen zur Winkelmessgenauigkeit 22 5. Zusammenstellung der Ergebnisse 27 Literatur 28 Anlagen 1. Darstellung wesentlicher Fehlereinflüsse bei der Streckenmessung 3 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach 1.1 Einfluss der Atmosphäre Die atmosphärischen Einflüsse auf die Streckenmessung sind: • Einfluss des Brechungsindexes n auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit auch auf die Messwellenlänge λ nach λ= c c = 0 f n⋅ f c ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit, c0 die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum. • Einfluss der Refraktion (auf die geometrische Form der Bahnkurve) Die atmosphärischen Einflüsse werden in vielen Tachymetern bereits berücksichtigt. Durch Messung von Luftdruck und Temperatur wird die gemessene Strecke intern reduziert. 1.2 Fehler der Modulationsfrequenz Mit der Modulationsfrequenz f soll durch Modulation der Trägerwelle eine bestimmte Wellenlänge c λ= 0 n⋅ f erzeugt werden. Durch Verfälschung der Modulationsfrequenz kommt es zu einem Maßstabsfehler dλ = − c0 1 λ ⋅ 2 ⋅ df = − ⋅ df . n f f (1-11) Die Grundgleichung für das Phasenvergleichsverfahren lautet 2 D = N ⋅ λ + ∆λ Daraus ergibt sich eine Streckenänderung von dD = 1 D N ⋅ dλ ≈ ⋅ dλ 2 λ weil N ⋅ λ >> ∆λ . Aus (1-11) ergibt sich nun dD = − D ⋅ df . f 4 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Durch den Frequenzfehler wird ein streckenproportionaler Entfernungsfehler verursacht. Die kleinste Modulationsfrequenz ist hierfür entscheidend. Sie liefert nämlich den Feinmaßstab. Wenn zur Erzeugung mehrerer Grobmaßstäbe verschiedene Quarze benutzt werden, können durch die Frequenzfehler auch Fehler in der Bestimmung der ganzen Anzahl von Feinmeßwellenlängen entstehen. Eine Abweichung der Modulationsfrequenz kann mehrere Ursachen haben. • • • • Einlaufeffekt Batteriespannung Temperatur Alterung des Quarzes Ein Einlaufeffekt entsteht, wenn man den Distanzmesser wiedereinschaltet. Zwischen mehreren Streckenmessungen schaltet man den Distanzmesser gerne ab, um Batterie zu sparen. In der Praxis arbeitet der Distanzmesser oft mehrere Stunden. Nach einigen Minuten (Einlaufzeit) sollte die Frequenz stabil bleiben. Auch Änderungen der Batteriespannung können Frequenzabweichungen hervorrufen. Trotz einer Stabilisatorschaltung fällt im Laufe der Zeit die Batteriespannung ab. Da die Nahbereichsentfernungsmesser keine Thermostaten für den Quarzkristall des Oszillators besitzen, beziehen sich die Sollfrequenzen einiger Instrumente auf eine bestimmte Temperatur. Die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises ist deshalb auch temperaturabhängig. Durch bestimmte Messanordnung und Messbedingungen kann man mit Hilfe eines Frequenzzählers den Einlaufeffekt, die Batteriespannung und die Temperaturabhängigkeit prüfen. Eine weitere Ursache für Frequenzabweichungen ist die Alterung des Quarzes. Das Kristallgefüge ändert sich mit der Zeit langsam und stetig. Durch regelmäßige Frequenzprüfung muss dies überprüft werden. Den größten Teil der Frequenzänderung kann man durch künstliche Alterung vor dem Einbau in das Instrument beeinflussen. 1.3 Auflösevermögen Unter dem Auflösevermögen versteht man die Fähigkeit eines Instrumentes, zwei eng beieinander liegende Messwerte voneinander unterscheiden zu können. Die Auflösegenauigkeit ist vom Phasenmesssystem, aber auch vom Zustand der Atmosphäre und von der Entfernung abhängig. Unter optimalen Verhältnissen kann man bei elektrooptischen Nahentfernungsmessern eine Auflösegenauigkeit von bis zu 10-4U erwarten. Bei einem Feinmaßstab von U = 10m entspricht dies einem Fehler der Phasenmessung von ± 1 mm. Um diese Genauigkeit zu erreichen, ist eine Mittelung sehr vieler (ca. 1000-2000) Phasenmessungen notwendig. 1.4 Zyklischer Phasenfehler Ein zyklischer Phasenfehler tritt periodisch auf. Er kann bei der elektrooptischen Entfernungsmessung verschiedene Ursachen haben. 5 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Eine Ursache ist der sogenannte Resolverfehler. Dies ist eine Exzentrizität zwischen Rotorund Statorachse beim Resolver. Sie ist zu vergleichen mit der Teilkreisexzentrizität beim Theodoliten. Fehler in den Windungszahlen der Statorspulen können zusätzlich noch einen Linearitätsfehler verursachen. Der Resolverfehler verursacht einen zyklischen Phasenfehler mit der Periode U/2. Auf den Feinmaßstab treten somit zwei volle Fehlerschwingungen auf. Auch eine elektrische Signalüberlagerung (αe) kann zu einer zyklischen Phasenabweichung führen. Diese Signalüberlagerung kommt zustande, da Sender und Empfänger im selben Gehäuse sind. Es kommt daher zu einer elektrischen Überlagerung von Teilen des Sendebzw. Referenzsignals auf das im Empfänger empfangene Streckensignal. Man nennt dies auch „elektrisches Übersprechen“. Mathematisch lässt sich die Signalüberlagerung folgendermaßen beschreiben: Wenn man mit a1 = A1 ⋅ sin (ϖ ⋅ t ) das ausgesendete Referenzsignal bezeichnet und mit a 2 = A2 ⋅ sin (ϖ ⋅ t + ϕ ) das um die Phasendifferenz φ verschobene empfangene Signal (ohne zyklischen Fehler), so gilt für das Signal des elektrischen Übersprechens a3 = A3 ⋅ sin (ϖ ⋅ t + ε e ) . εe ist hierbei die Phasenverschiebung des Störsignals. Wegen der kurzen Laufzeit ist es meistens eine kleine Größe. Die Überlagerung der Signale a2 und a3 kann durch Vektoraddition berechnet werden. Es ergibt sich ein resultierendes Streckensignal ρ ρ ρ a = a 2 + a3 . Zyklischer Fehler bei elektrischem Übersprechen αe ist hier im Bild der zyklische Fehlerwinkel der Phasenmessung. Er ergibt sich aus tan α e = A3 ⋅ sin (ϕ − ε e ) A2 + A3 ⋅ cos(ϕ − ε e ) 6 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Da αe ein kleiner Winkel ist, kann man tan αe ≈ αe setzen. Wegen A3<<A2<A1 kann man schreiben: A2 + A3 ⋅ cos(ϕ − ε e ) ≈ A2 . Auch εe ist wie gesagt ein kleiner Winkel. Deshalb kann man schreiben: cos ε e ≈ 1, sin ε e ≈ ε e . Mit diesen Vereinfachungen ergibt sich schließlich ein zyklischer Fehler von αe ≈ A3 A A ⋅ sin (ϕ − ε e ) ≈ 3 ⋅ sin ϕ − 3 ⋅ cos ϕ ⋅ ε e ., A2 A2 A2 Eine weitere Ursache für zyklische Fehler kann eine optische Signalüberlagerung sein. Man spricht auch vom „optischen Übersprechen“. Dieser Fehler entsteht durch streuende Infrarotstrahlung. Wenn moduliertes Licht vom Sender zum Empfänger gelangt, überlagert es sich dort mit dem von der Messstrecke kommenden Licht. Der Laufweg des Störsignals ist beim Durchgang durch gemeinsame optische Bauteile sehr kurz. Es ist somit gegenüber dem Referenzsignal nur wenig phasenverschoben. Die mathematische Bestimmung erfolgt genauso wie bei der elektrischen Signalüberlagerung. Auch durch Mehrwegsignale können zyklische Phasenfehler entstehen. Wie der Name schon sagt sind dies Signale, die infolge von Reflexionen an Linsen, Sende- und Empfangsdioden die zu messende Strecke mehrmals hin- und zurücklaufen. Es entsteht jeweils ein Streckensignal mit weiter abgeschwächter Amplitude und neuer Phasenverschiebung. Der Einfluss des zyklischen Fehlers ist bei modernen Geräten mit automatischem Messablauf gering. Er kann daher bei den meisten Messungen vernachlässigt werden, bei Messungen hoher Genauigkeit (Spezialmessungen) ist er jedoch zu berücksichtigen. 1.5 Phaseninhomogenität Phaseninhomogenität entsteht, wenn nicht alle modulierten Strahlen des Strahlenkegels zur gleichen Zeit dieselbe Phasenlage haben. Das Prinzip ist im folgenden Bild dargestellt. Prinzip des Sendestrahlenbündels bei Phaseeinhomogenität 7 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Es kann zur Phaseninhomogenität kommen, da die Sendedioden in den Nahbereichsentfernungsmessern nicht komplett fehlerfrei hergestellt sind. Durch eine inhomogene Dicke der Sperrschicht kommt es zu unterschiedlichen Reaktionszeiten und damit zu einer unterschiedlichen Modulation des emittierten Lichtstrahles. Die Phaseninhomogenität macht sich auch bei konstanter Reflektorentfernung bemerkbar. Der Einfluss macht sich bemerkbar, wenn man die Zielrichtung horizontal und vertikal um konstante Winkelbeträge verschwenkt. Es ergeben sich unterschiedliche Entfernungen, die von der Entfernung der optimalen Zielung (Reflektor in der Mitte anzielen) abweichen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Fehler der Phaseninhomogenität bis zu ± 20mm betragen kann. Somit hat die Phaseninhomogenität einen großen Einfluss auf die Messung. Sie ist eine der größten Fehlerquellen. Auch durch Sichthindernisse, wie z.B. Blätter vom Baum, können Teile des Strahlenbüschels ausgeblendet werden. Deshalb sollte man versuchen, immer denselben Ausschnitt aus dem Strahlenbüschel zu verwenden. Die maximale Empfangssignalstärke findet man, indem man die optimale Zielung vornimmt. Der Hersteller sollte sich bemühen, nur ausgesucht gute Dioden zu verwenden oder in der Konstruktion darauf zu achten, dass die Strahlen optisch durchmischt werden, bevor sie das Sendeobjekt verlassen. Phaseninhomogenitäten können auch bei Kerrzellen- oder KPD- Modulatoren auftreten. 1.6 Nullpunktsabweichung Jeder elektronische Entfernungsmesser liefert eine Ist- Strecke der Form D = A− R, wobei A die äußere Messstrecke und R die innere Eichstrecke ist. Fehler, die gleichsam auf beide Strecken wirken, werden somit eliminiert wie z.B. ein Phasendrift zwischen dem Strecken- und dem Referenzsignal, der durch thermische Effekte in den Schaltungen und Dioden hervorgerufen wird. Die Nullpunktskorrektion lässt sich folgendermaßen definieren: mit KD = D − D D = (A − R) + ∑ K D ist die Sollstrecke und ∑K ist die Summe aller Modellkorrekturen für reproduzierbare Fehler, wie die Frequenz, die Atmosphäre, der zyklische Fehler und die Bahnkrümmung. 8 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Das Prinzip der Nullpunktsabweichung ist im folgenden Bild dargestellt. Nullpunktsfehler Durch kurzfristige Phasenungleichheit zwischen dem modulierten Streckensignal und dem Referenzsignal kann es zu Abweichungen von der Nullpunktskorrektion kommen. Auch die Phaseninhomogenität und Abweichungen im Modell zur Korrektion des zyklischen Fehlers haben wesentlichen Einfluss auf die Nullpunktskorrektion. KD kann deshalb nicht als konstant angenommen werden. Die Nullpunktskorrektion ist, wie auch die Phaseninhomogenität, entfernungsabhängig. Sie ändert sich im Laufe der Zeit. Die Nullpunktskorrektion ist nur experimentell bestimmbar. 9 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach 2. Darstellung wesentlicher Fehlereinflüsse bei der Winkelmessung 2.1 Stehachsfehler Der Stehachsfehler ν ist kein Instrumental-, sondern ein Aufstellfehler. Er tritt auf, wenn die Stehachse schief steht. Er wirkt sich wie folgt auf die Messung aus: (ν ) = ν ⋅ sin α ⋅ cot z z ist hierbei der Zenitwinkel, während α der Winkel ist, den die Richtung nach dem Ziel mit der Vertikalachse bildet, die die schiefe Stehachse enthält. Der Einfluss des Stehachsenfehlers kann durch eine Messungsanordnung nicht aufgehoben werden. Man kann ihn vermeiden, indem man die Stehachse durch Spielpunktbestimmungen streng lotrecht stellt. 2.2 Zielachsfehler Der Zielachsfehler ist der Winkel c, den die Zielachse mit der Normalen zur Kippachse bildet. Liegt ein Zielachsfehler vor, beschreibt der Zielstrahl beim Kippen des Fernrohres keine Ebene, sondern einen Kegelmantel. Ist der Zielachsenfehler negativ, erhält man eine zu kleine Richtung in der FRL I, während die Richtung in der FRL II zu groß ist. Die Verbesserung ist demnach positiv und wird auf die erste Richtung angetragen. Die Auswirkung des Zielachsfehlers ist um so größer, um so mehr man mit der Anzielung von der Horizontalen abweicht, d.h. kleine Zenitwinkel misst. Die Auswirkung des Zielachsfehlers beträgt: (c ) = c sin z Hierbei ist z der Zenitwinkel in der FRL I. Die lineare Querabweichung q berechnet sich wie folgt: q = s ⋅ sin c sin z Die Querabweichung q beträgt z.B. bei einer Strecke s = 100m, einer Zenitdistanz z = 80gon und einem Zielachsfehler c = 3,0mgon 0,005m. Durch die Messung in beiden Fernrohrlagen und der Mittelbildung der Richtungen wird der Einfluss des Zielachsfehlers ausgeschaltet. 2.3 Höhenindexfehler Ein Höhenindexfehler tritt auf, wenn die Verbindungsgerade zwischen Höhenindex und Kippachse keine Lotrechte mehr ist. Er ist ein Nullpunktsfehler. Anstelle der Sollablesung z = 0 am Zenit erscheint die fehlerhafte Ablesung z = ξ. Der Höhenindexfehler kann jede beliebige Größe einnehmen. Er ist ein systematischer Fehler. Daher gibt es keine Messungsanordnung, bei der eine maximale bzw. minimale Fehlerauswirkung auftritt. 10 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Der Höhenindexfehler wirkt sich auf die Vertikalwinkelmessung aus. Um einen fehlerfreien Vertikalwinkel zu erhalten, muss der Höhenindexfehler auf den verfälschten Winkel aufgetragen bzw. abgezogen werden. Der Höhenindexfehler lässt sich eliminieren, indem man in zwei Fernrohrlagen misst. 2.4 Kippachsfehler Ein Kippachsfehler tritt auf, wenn der Zielstrahl beim Kippen des Fernrohrs eine Ebene beschreibt, die keine Vertikalebene ist. Die Richtungen beider Fernrohrlagen müssen sich bei Ablesung am Hz- Kreis um 200gon unterscheiden. Eine Abweichung von 200gon entspricht dem doppelten Kippachsfehler. Der Kippachsfehler lässt sich wie folgt bestimmen: i = [c − (c )] ⋅ tan z c r 2 − r1 − 200 gon − i= ⋅ tan z 2 sin z z ist hierbei der wegen der Indexabweichung korrigierte Zenitwinkel in der FRL I. Der Kippachsfehler hat keinen Einfluss auf horizontale Richtungen (z = 100gon). Er wirkt sich wie folgt auf die Messung aus: (i ) = i ⋅ cot z Setzt man Werte in diese Formel ein, kann man erkennen, dass es günstiger ist, ca. horizontale Richtungen zu messen. Um so mehr man von der Horizontalen abweicht, wird die Fehlerauswirkung maximal. Die lineare Querabweichung berechnet sich wie folgt: q = s ⋅ sin (i ) q = s ⋅ sin (i ⋅ cot z ) Die Querabweichung q beträgt z.B. bei einer Strecke s = 100m, einer Zenitdistanz z = 80gon und einem Zielachsfehler c = 9,8mgon 0,005m. Durch die Messung in beiden Fernrohrlagen und der Mittelbildung der Richtungen wird der Einfluss des Kippachsfehlers ausgeschaltet. 2.5 Kreisteilungsfehler Jeder Theodolit mit einem bestimmten Teilkreisdurchmesser hat eine bestimmte Anzahl von Teilstrichen. Um eine bestimmte Ablesegenauigkeit zu garantieren, muss jeder dieser Striche auf z.B. 0,4µm (bei einem Teilkreisdurchmesser von 10cm, 2000 Teilstrichen, Ablesegenauigkeit von 0,5mgon) richtig liegen. Auch bei feinsten Teilmaschinen und bei höchster Sorgfalt des Mechanikers kann diese Genauigkeit nicht immer erreicht werden. Es treten regelmäßige (periodische) und unregelmäßige (zufällige) Teilkreisfehler auf. Eine Ursache für einen regelmäßigen Teilkreisfehler wäre, wenn es beim Einsetzen des Teilkreises in dessen Fassung zu Verformungen infolge von Spannungen kommt. Unregelmäßige Teilkreisfehler können durch Temperatureinflüsse hervorgerufen werden. Man kann die Kreisteilungsfehler eliminieren, indem man ein und denselben Winkel – je nach geforderter Genauigkeit – an mehreren symmetrisch auf den Kreis verteilten Stellen des Teilkreises misst. Erfahrungsgemäß werden dadurch die regelmäßigen Kreisteilungsfehler 11 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach eliminiert und die Auswirkungen der unregelmäßigen Teilungsfehler weitgehend gemindert, so dass sie in der Praxis meist vernachlässigt werden können. 2.6 Kreisteilungsexzentrizität und Zeigerarmknickung Die Kreisteilungsexzentrizität wird auch als Alhidadenexzentrizität bezeichnet. Diese Exzentrizität liegt vor, wenn der Drehpunkt der Alhidade A nicht mit dem Mittelpunkt des Horizontalkreises B zusammenfällt. Diese Exzentrizität ist im folgenden Bild dargestellt. Kreisteilungsexzentrizität Zielt man einen Punkt bei einer Ablesung am Horizontalkreis von 0 bzw. 200gon an und dreht anschließend das Fernrohr um 100gon, ergibt sich keine Zeigerablesung von 100 bzw. 300gon, sondern eine Ablesung von Z1 bzw. Z2. Die Ablesung Z1 ist um einen Wert a zu klein, während die Ablesung Z2 um denselben Wert a zu groß ist. Eine Mittelbildung aus beiden Ablesungen ist somit frei von dem Exzentrizitätsfehler. Der Einfluss der Kreisteilungsexzentrizität ist in Richtung BA gleich Null, senkrecht dazu am größten. Der Fehler kann durch Ablesung an zwei Zeigern eliminiert werden. Hat das Instrument nur eine Ablesestelle, kann man die Exzentrizität durch Messen in zwei Fernrohrlagen ausschalten. Eine Zeigerarmknickung tritt bei Instrumenten mit zwei Ablesestellen auf, wenn die Ablesestellen sich nicht genau gegenüberliegen. Der Fehler ist konstant. Man kann ihn durch Messen in zwei Fernrohrlagen eliminieren. 2.7 Exzentrizität der Zielachse Eine Exzentrizität der Zielachse ist im folgendem Bild dargestellt. Exzentrizität der Zielachse 12 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach L sei hier der Mittelpunkt der Teilung des Teilkreises. Es ist die Richtung zum Zielpunkt P zu bestimmen. Hat die Zielachse die Exzentrizität e, so ist sie bei ihren Drehungen Tangente an einem Kreis um L mit dem Radius e. Beim Messen in beiden Fernrohrlagen entsteht dadurch die gleiche Richtungsabweichung ϕ, allerdings mit entgegengesetztem Vorzeichen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass durch eine Messung in zwei Fernrohrlagen die Exzentrizität der Zielachse eliminiert wird. 13 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach 3. Praktische Untersuchungen zur Streckenmessgenauigkeit 3.1 Bestimmung der Additionskorrektur sowie deren Genauigkeit durch Sollstreckenvergleich Die gesamte Nullpunktskorrektion lässt sich aufspalten in K D = K 0 + ∆K D , wobei K 0 die Nullpunktskorrektion bei einer Strecke D=0, ∆K D ein streckenabhängiger, im Allgemeinen nicht streckenlinearer Anteil ist. Da die Nullpunktskorrektion entfernungsabhängig ist, kann man sie mit bekannten Strecken bestimmen. Voraussetzung ist allerdings, dass • die Strecken mit übergeordneter Genauigkeit vorliegen • die Strecken über den gesamten Einsatzbereich des Entfernungsmessers verteilt sind Es wird die Nullpunktskorrektion für folgendes Instrument bestimmt: Instrument: Instr. Nr.: ZEISS RecElta 3 196679 Die folgenden Strecken wurden bestimmt: Strecke Nr. 1 2 3 4 5 6 D 4,0124 7,9964 12,0194 15,9722 20,0238 23,9974 DHin 4,0100 7,9940 12,0180 15,9710 20,0220 23,9970 DRück 4,0100 7,9950 12,0180 15,9720 20,0230 23,9960 DMittel 4,0100 7,9945 12,0180 15,9715 20,0225 23,9965 ∆D +2,4 +1,9 +1,4 +0,7 +1,3 +0,9 Die Differenzen der gemessenen Strecken gegenüber den Sollstrecken D ∆D = D − D werden graphisch als Funktion von D dargestellt. Anschließend wird eine ausgleichende Gerade hindurchgelegt. 14 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Abhängigkeit der Nullpunktskorrektur von der Streckenlänge 3 2,5 K [mm] 2 1,5 1 y=0,07 0,5 14x + 2,43 26 0 0 5 10 15 20 25 30 D [m] Rechnerisch lässt sich die Nullpunktskorrektur folgendermaßen bestimmen: ∆D =ˆ K D = a 0 + a1 ⋅ D + a 2 ⋅ D 2 + a3 ⋅ D 3 + ... Als Vereinfachung schreibt man anstelle des Polynoms ein lineares funktionales Modell als ausgleichende Gerade K D = a 0 + a1 ⋅ D Die linearen gleichgewichtigen Verbesserungsgleichungen lauten vi = a 0 + a1 ⋅ D − ∆Di mit ∆Di = Di − Di Für die Unbekannten a0 und a1 ergeben sich somit für a0 = ([DD] ⋅ [∆D] − [D] ⋅ [D ⋅ ∆D]) 2 n ⋅ [DD ] − [D ] für a1 = (− [D] ⋅ [∆D] + n ⋅ [D ⋅ ∆D]) 2 n ⋅ [DD ] − [D ] und Bei einem nichtlinearen Verlauf von KD entspricht a0 nicht dem gesuchten Wert K0, sondern dem Nulldurchgang K0´ der ausgleichenden Geraden durch den Schwerpunkt aller D und ∆D mit dem Maßstabsfaktor a1. Es ist also a0 = K 0 und ′ ′ a1 ⋅ D = ∆K D . ′ ′ ′ Somit ist die Nullpunktskorrektion K D = K 0 + ∆K D . Die Nullpunktskorrektion wird deshalb vor allem im Nahbereich unzureichend beschrieben. 15 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Um die Unbekannten zu bestimmen, sind folgende Größen zu berechnen: [DD] = 1456,2458m 2 [∆D] = 8,6mm [D] = 84,0130m [D ⋅ ∆D] = 0,1004m 2 Setzt man die Werte in die Gleichung ein, erhält man für und a 0 = 2,4348mm a1 = −0,0715mm Zur Kontrolle kann man die berechneten Werte noch mit der in der Graphik angegebenen Funktion vergleichen. Es ergibt sich somit eine Nullpunktskorrektion von ′ K D [mm] = 2,4 − 71,5 ⋅ D[km] 3.2 Bestimmung der Additionskorrektur durch Streckenmessung in allen Kombinationen Als Nullpunktskorrektur bezeichnet man im allgemeinen die Unterschiede zwischen Stehachse und elektronischem Nullpunkt am Instrument sowie zwischen Stehachse und Reflexionszentrum am Prisma. Wie bereits erwähnt, besteht die Nullpunktskorrektur aus einer konstanten und einer entfernungsabhängigen Größe. Wenn der konstante Anteil stark überwiegt, lässt sich die Additionskorrektur, ohne die Streckenlängen zu kennen, durch Streckenmessung in allen Kombinationen bestimmen. Die Additionskorrektur wurde von folgendem Instrument bestimmt: Instrument: Instr. Nr.: ZEISS RecElta 3 196679 Die Additionskonstante wurde mit Hilfe von 6 Punkten durch Streckenmessung in allen Kombinationen bestimmt. Man erhält somit 15 Teilstrecken mit 6 Unbekannten einschließlich der Additionskonstanten. 16 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Die Messanordnung ist im folgenden Bild dargestellt. Folgende Strecken wurden von uns bestimmt: Teilstrecke Länge der Teilstrecke [m] 19,7554 66,2535 122,2678 207,2706 302,6928 46,4948 102,5123 187,5120 282,9353 56,0225 141,0203 236,4446 85,0048 180,4251 95,4264 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 Die Nullpunktskorrektur wird nach SCHLICHTUNG folgendermaßen berechnet: K= ( 6 t ) t ⋅ t 2 −1 ⋅∑ t − j +1 ∑ (2i − t − 1) ⋅ D j =1 i =1 ( ) 0 , 5⋅ − j 2 + ( 2 t + 3 )⋅ j + i −t −1 t ist hierbei die Anzahl der Teilstrecken. In unserem Fall (t = 5) ergibt sich für K K= 1 ⋅ ( -4D1 –2D2 +0D3 +2D4 +4D5 –4D6 –2D7 20 +0D8 +2D9 –4D10 –2D11 +0D12 –4D13 –2D14 –4D15 ) Setzt man die Strecken in die Gleichung ein, erhält man für K K = −0,00275m = −2,75mm 17 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach 3.3 Bestimmung von Phaseninhomogenitäten Die Phaseninhomogenität wurde für folgende Instrumente im Feld bestimmt: Instrument: Instr. Nr.: ZEISS RecElta 3 196679 Instrument: Instr. Nr.: Leica TC 1600 360612 Entfernungsmesser und Reflektor wurden jeweils in einer Entfernung von ca. 50m voneinander aufgestellt. Zuerst wurde die Stelle der maximalen Signalstärke (Maximumpeilung) am Reflektor angezielt und die Entfernung bestimmt. Anschließend wurde die Zielrichtung um einen konstanten Winkelbetrag von 2cgon schrittweise horizontal und vertikal verschwenkt, bis keine Strecke mehr messbar war. Es ergaben sich folgende Messwerte: Bestimmung der Phaseninhomogenität mit dem ZEISS RecElta 3 V [gon] \ Hz [gon] 99,30 99,32 99,34 99,36 99,38 99,40 99,42 99,44 99,46 -0,08 47,5538 - -0,06 47,5573 47,5615 47,5606 47,5628 47,5549 47,5591 - -0,04 47,5563 47,5535 47,5546 47,5558 47,5549 47,5631 47,5562 - -0,02 47,5422 47,5533 47,5555 47,5516 47,5508 47,5539 47,5541 47,5572 - 0,00 47,5612 47,5523 47,5535 47,5506 47,5518 47,5549 47,5530 47,5532 47,5583 +0,02 47,5592 47,5493 47,5535 47,5516 47,5508 47,5559 47,5531 47,5562 - +0,04 47,5573 47,5545 47,5526 47,5538 47,5569 47,5551 47,5602 - +0,06 47,5575 47,5626 47,5618 47,5639 47,5621 - Ist D die Bezugsmessung bei Maximumpeilung, ergibt sich für den Fehler infolge von Phaseninhomogenität K Ph = D − Di Di sind die nach Verschwenken der Zielrichtung erhaltenen Strecken. Der Fehler der Phaseninhomogenität ist in der folgenden Tabelle in mm dargestellt. V [gon] \ Hz [gon] 99,30 99,32 99,34 99,36 99,38 99,40 99,42 99,44 99,46 -0,08 -2,0 - -0,06 -5,5 -9,7 -8,8 -11,0 -3,1 -7,3 - -0,04 -4,5 -1,7 -2,8 -4,0 -3,1 -11,3 -4,4 - -0,02 +9,6 -1,5 -3,7 +0,2 +1,0 -2,1 -2,3 -5,4 - 0,00 -9,4 -0,5 -1,7 +1,2 0 -3,1 -1,2 -1,4 -6,5 +0,02 -7,4 +2,5 -1,7 +0,2 +1,0 -4,1 -1,3 -4,4 - +0,04 -5,5 -2,7 -0,8 -2,0 -5,1 -3,3 -8,4 - +0,06 -5,7 -10,8 -10,0 -12,1 -10,3 - 18 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Bestimmung der Phaseninhomogenität mit dem Leica TC 1600 V [gon] \ Hz [gon] 99,27 99,29 99,31 99,33 99,35 99,37 99,39 -0,06 50,885 50,884 50,884 50,886 50,885 - -0,04 50,884 50,884 50,885 50,885 50,885 50,885 -0,02 50,885 50,884 50,884 50,884 50,885 50,886 50,886 0,00 50,886 50,885 50,885 50,886 50,887 50,887 50,887 +0,02 50,885 50,884 50,885 50,885 50,884 50,886 50,886 +0,04 50,885 50,884 50,884 50,885 50,886 - +0,06 50,884 50,885 50,886 - Ist D die Bezugsmessung bei Maximumpeilung, ergibt sich für den Fehler infolge von Phaseninhomogenität K Ph = D − Di Di sind die nach Verschwenken der Zielrichtung erhaltenen Strecken. Der Fehler der Phaseninhomogenität ist in der folgenden Tabelle in mm dargestellt. V [gon] \ Hz [gon] 99,27 99,29 99,31 99,33 99,35 99,37 99,39 -0,06 +1 +2 +2 0 +1 - -0,04 +2 +2 +1 +1 +1 +1 -0,02 +1 +2 +2 +2 +1 0 0 0,00 0 +1 +1 0 -1 -1 -1 +0,02 +1 +2 +1 +1 +2 0 0 +0,04 +1 +2 +2 +1 0 - +0,06 +2 +1 0 - 3.4 Frequenzprüfung Für folgende EDM wurde die Modulationsfrequenz geprüft: • • Leica TC 1600N; Instr.Nr.: 362125 Zeiss RecElta 3; Instr.Nr.: 196679 Das Einlaufverhalten wurde für beide EDM geprüft. Für den EDM Leica TC 1600N wurde das Einlaufverhalten graphisch dargestellt (siehe hinten). 3.4.1 Vorbereitung Vor der Frequenzprüfung sollte man den Frequenzzähler ( je nach Fabrikat ) bis zu acht Stunden vorher einschalten. Dann müsste eine Stabilität von < 5 ⋅ 10 −8 / h erreicht sein. Wenn man mindestens diese Genauigkeit erreichen will, sollte eine Frequenzzählerüberprüfung mit dem amtlichen Zeitzeichensender DCF 77 vorgenommen werden. 3.4.2 Kalibrierung des Frequenzzählers Der Frequenzzähler sollte regelmäßig kalibriert werden. Die Kalibrierung sollte mindestens einmal im Jahr vorgenommen werden. Nur so ist eine qualitätssichernde Prüfprozedur gewährleistet werden. 19 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters 3.4.3 Janin Wach Kontinuierlich frequenzstrahlende EDM Zu kontinuierlich frequenzstrahlenden EDM gehört u.a. der EDM Leica TC 1600. Für kontinuierlich frequenzstrahlende EDM ist zuerst eine Koaxial- Kabelverbindung herzustellen. Anschließend wird der Oszi1- Ausgang ( das von der Versorgungsspannung getrennte P- Dioden- Ausgangssignal ) der PLL an den Frequenzzähler geschaltet. Der EDM ist einzuschalten und so in Messstellung zu bringen, dass der Feinmaßstab abgestrahlt wird. Eventuell muss dazu über ein vorgehaltenes Prisma der Messzyklus „Feinmessung“ eingestellt werden. Dann kann die P- Diode angezielt werden. Die Signalstärke ist so einzustellen, dass auf dem Oszillographenbild ein Maximum erhalten wird. Dies ist mittels Horizontal- und Vertikalfeintrieb einzustellen. Der Messaufbau ist im folgenden Bild dargestellt. Messaufbau z.B. bei Leica EDM 3.4.4 Gepulst frequenzstrahlende EDM Dieses Messverfahren wird u.a. beim Rec Elta der Fa. ZEISS angewendet. Zur Frequenzprüfung sind zuerst Einstellungen am Oszillographen ( nur bei schwach strahlendem Frequenzsignal ) vorzunehmen. Der Frequenzzähler wird automatisch vom Programm eingestellt. Bei neueren Instrumenten kann es vorkommen, dass ein Rückstrahlsignal von der PDiodenoptik auftritt und das EDM die Entfernung zur reflektierenden Linse der Photodiodenempfangsoptik misst. Deshalb ist es sinnvoll, den Sendestrahl von der Empfangsoptik so weit wegzuschwenken, bis stabile Empfangssignale vorliegen. Der Messaufbau dieses Verfahrens ist im folgenden Bild dargestellt. Messaufbau z.B. bei Zeiss EDM 20 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Im folgenden Diagramm ist der Einlaufeffekt für ein EDM Leica TC 1600 dargestellt. Die Abbildung soll verdeutlichen, wie sich die Frequenz des Prüflings in Abhängigkeit von der Temperatur bei Langzeiteinschaltung verändert. Einlaufverhalten des EDM Leica TC 1600 499997800 Frequenz [10Hz] 499997600 499997400 499997200 499997000 499996800 499996600 499996400 724.0 693.8 663.6 633.5 603.3 573.0 542.9 512.7 482.7 452.6 422.4 392.2 362.0 331.9 301.7 271.6 241.4 211.2 181.1 150.9 120.6 90.5 60.4 0.0 30.2 499996200 Zeit [s] Es ist zu erkennen, dass die Frequenz sich mit der Zeit stabilisiert. Nach ca. 20 min kann man die Auswirkungen des Einlaufeffektes vernachlässigen. Die Ergebnisse der Frequenzprüfung ( Protokolle ) sind als Anlage zu finden. 21 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach 4. Praktische Untersuchungen zur Winkelmessgenauigkeit Das elektronische Tachymeter WILD TC 1600 mit der Instr.Nr. 360612 wurde auf nach folgenden Kriterien untersucht: • • • • • • • • Stehachsfehler Zielachsfehler Kippachsfehler Höhenindexfehler Höhenindexstabilisierung Arbeitsbereich des Kompensators Horizontalwinkelmessgenauigkeit Vertikalwinkelmessgenauigkeit Stehachsfehler Die Stehachse wurde überprüft, indem wir die Dosenlibelle einspielten und das Instrument um 200gon drehten. Es wurde kein Libellenausschlag festgestellt. Anschließend wurde die Röhrenlibelle genau eingespielt und das Instrument um 100gon gedreht. In dieser Stellung wurde die Röhrenlibelle nochmals eingespielt. Danach drehten wir das Instrument um 200gon. Es wurde kein wesentlicher Libellenausschlag festgestellt, so dass der halbe Libellenausschlag mittels den Fußschrauben beseitigt werden konnte. Demnach verläuft die Stehachse lotrecht und der Horizontalkreis liegt in der Horizontalebene. Zielachsfehler Beim Anzielen eines Punktes in Höhe der Kippachse wurden folgende Richtungen r1 und r2 in FRL I und II durch Ablesen am Hz- Kreis bestimmt: Messung 1: Messung 2: Messung 3: FRL I FRL II 0,1175gon 0,1172gon 0,1176gon 200,1155gon 200,1171gon 200,1166gon Der Zielachsfehler wird folgendermaßen bestimmt: c= r2 − r1 ± 200 gon 2 Der Zielachsfehler beträgt somit: - für Messung 1: c = −0,001gon für Messung 2: c = −0,00005 gon für Messung 3: c = −0,0005 gon Nach Mittlung der drei Messwerte erhält man schließlich einen Zielachsfehler von c = −0,517mgon 22 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Kippachsfehler Beim Anzielen eines Hochpunktes wurden folgende Messwerte in FRL I und II durch Ablesen - am Hz- Kreis bestimmt: FRL I Messung 1: Messung 2: Messung 3: FRL II 149,4192gon 349,4217gon 149,4171gon 349,4229gon 149,4199gon 349,4212gon - am V- Kreis bestimmt: Messung 1: Messung 2: Messung 3: FRL I FRL II verbesserter V- Winkel 87,3213gon 87,3216gon 87,3222gon 312,6769gon 312,6765gon 312,6774gon 87,3222gon 87,322255gon 87,3224gon Der Kippachsfehler wird folgendermaßen bestimmt: i= r2 − r1 ± 200 gon 2 Der Kippachsfehler beträgt somit: - für Messung 1: i = +0,00125 gon für Messung 2: i = +0,0029 gon für Messung 3: i = +0,00065 gon Nach Mittlung der drei Messwerte erhält man schließlich einen Kippachsfehler von i = +1,6mgon Er wirkt sich wie folgt auf die Messung aus: (i ) = i ⋅ cot z Die Auswirkung des Kippachsfehlers beträgt somit: - für Messung 1: (i ) = +0,323mgon für Messung 2: (i ) = +0,323mgon für Messung 3: (i ) = +0,323mgon 23 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Nach Mittlung der drei Messwerte erhält man schließlich eine Auswirkung des Kippachsfehlers von (i ) = +0,323mgon Höhenindexfehler Beim Anzielen eines Punktes in Höhe der Kippachse wurden folgende Messwerte a1 und a2 in FRL I und II durch Ablesen am V- Kreis bestimmt: Messung 1: Messung 2: Messung 3: FRL I FRL II 97,9500gon 97,9509gon 97,9538gon 302,0458gon 302,0437gon 302,0441gon Der Höhenindexfehlerfehler wird folgendermaßen bestimmt: ξ= a1 + a 2 ± 400 gon 2 Der Höhenindexfehlerfehler beträgt somit: - für Messung 1: ξ = −0,0021gon für Messung 2: ξ = −0,0027 gon für Messung 3: ξ = −0,00105 gon Nach Mittlung der drei Messwerte erhält man schließlich einen Höhenindexfehlerfehler von ξ = −1,95mgon Höhenindexstabilisierung Zur Prüfung der Höhenindexstabilisierung wurde ein Zielpunkt angezielt und der Zenitwinkel am Vertikalkreis abgelesen. Anschließend wurde das Instrument leicht in Zielrichtung nach oben oder unten geneigt. Die Blase der Dosenlibelle muss dabei um ca. 1mm „wandern“. Nach der Neigung wurde derselbe Punkt nochmals angezielt und es wurde am Vertikalkreis abgelesen. Hierzu wurden drei Messungen durchgeführt: - 1. Messung: - 2. Messung: - 3. Messung: Ablesung1 Ablesung2 Fehler 98,4676gon 98,1985gon 100,0575gon 98,4674gon 98,1984gon 100,0575gon ± 0,2mgon ± 0,1mgon ± 0mgon Um eine fehlerfreie Höhenindexstabilisierung des Instruments nachzuweisen, muss immer der gleiche Zenitwinkel abgelesen werden. Der mittlere Fehler unseres Instruments beträgt ca. 0,1mgon. 24 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Arbeitsbereich des Kompensators Der Arbeitsbereich des Pendelkompensators wurde wie folgt geprüft: Nach Horizontierung des Instruments wurde ein Zielpunkt angezielt und am Vertikalkreis abgelesen. Anschließend wurde das Instrument mit der Dreifußschraube in Zielrichtung so weit gehoben, bis das Pendel des Kompensators anschlägt (Instrument zeigt Fehler 58 an). Der Vertikalwinkel wurde erneut abgelesen. Nun wurde das Instrument, wieder mit Hilfe der Dreifußschraube in Zielrichtung, so weit gesenkt, bis das Pendel des Kompensators anschlägt (Instrument zeigt Fehler 58 an). Auch dieser Vertikalwinkel wurde abgelesen. Dieser Vorgang wurde noch mit den zwei anderen Dreifußschrauben wiederholt. Die Zielrichtung wurde dabei allerdings nicht verändert. Folgende Messungen wurden hierzu durchgeführt: - 1. Messung: Winkel: Winkel nach Heben: Winkel nach Senken: 100,0287gon 99,9391gon 100,1054gon - 2. Messung: Winkel: Winkel nach Heben: Winkel nach Senken: 96,6237gon 96,5266gon 96,7178gon - 3. Messung: Winkel: Winkel nach Heben: Winkel nach Senken: 106,2571gon 106,1676gon 106,3342gon Um den Arbeitsbereich des Kompensators zu bestimmen, muss man die Differenz der Winkel nach dem Heben des Instruments und nach dem Senken des Instruments bestimmen. Man erhält einen Arbeitsbereich des Kompensators - für die 1. Messung: für die 2. Messung: für die 3. Messung: 0,1663gon 0,1912gon 0,1666gon Nach Mittlung der drei Messwerte erhält man einen Arbeitsbereich des Kompensators von 0,1747gon. Horizontalwinkelmessgenauigkeit Zur Bestimmung der Horizontalwinkelmessgenauigkeit wurden vier gleichmäßig über den Horizont verteilte Punkte jeweils viermal in FRL I und FRL II angezielt. Es wurde am Horizontalkreis abgelesen. Die Werte sind dem jeweiligen Verm. Protokoll im Anhang zu entnehmen. Es wurden die Differenzen der Winkel bezogen auf den 1. Satz bestimmt. Satz 1 2 3 4 mittlere Differenz ∆1 [gon] - Differenz ∆2 [gon] 0,0003 0,0021 0,0021 0,0015 Differenz ∆3 [gon] 0,0006 0,00165 0,00085 0,001 Differenz ∆4 [gon] 0,0004 0,0031 0,0022 0,0019 25 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Abweichung Da die max. Abweichung der Horizontalwinkel nur 1,9mgon beträgt, kann diese Abweichung vernachlässigt werden. Vertikalwinkelmessgenauigkeit Zur Bestimmung der Vertikalwinkelmessgenauigkeit wurden zwei gleichmäßig über den Horizont verteilte Punkte jeweils zweimal in FRL I und FRL II angezielt. Es wurde am Vertikalkreis abgelesen. Die Werte sind dem jeweiligen Verm. Protokoll im Anhang zu entnehmen. Es wurden die Differenzen der Winkel bezogen auf den 1. Satz bestimmt. Satz 1 2 Differenz ∆1 [gon] 0,00045 Differenz ∆2 [gon] 0,00085 Da die max. Abweichung der Vertikalwinkel nur 0,85mgon beträgt, kann diese Abweichung vernachlässigt werden. 26 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach 5. Zusammenstellung der Ergebnisse Ergebnisse zur Genauigkeit des EDM RecElta 3 • Streckenmessgenauigkeit Nullpunktskorrektur durch Sollstreckenvergleich ′ K D [mm] = 2,4 − 71,5 ⋅ D[km] Nullpunktskorrektur durch Streckenmessung K = −0,00275m = −2,75mm in allen Kombinationen Ergebnisse zur Genauigkeit des EDM Leica TC 1600 • Winkelmessgenauigkeit Zielachsfehler c = −0,517mgon Kippachsfehler i = +1,6mgon Höhenindexfehler ξ = −1,95mgon Höhenindexstabilisierung ca. 0,1mgon Arbeitsbereich des Kompensators 0,1747gon Horizontalwinkelmessgenauigkeit max. 1,9mgon Vertikalwinkelmessgenauigkeit max. 0,85mgon 27 Untersuchung eines elektronischen Tachymeters Janin Wach Literatur • Eberhard Baumann: Vermessungskunde, Band 2, Dümmler Verlag, 1993 • • • • • Rainer Joeckel, Manfred Stober: Elektronische Entfernungs- und Richtungsmessung, wittwer- Verlag, 1995 Heribert Kahmen: Vermessungskunde, 19. Auflage, de Gruyter Verlag, 1997 Hennecke, Müller, Werner: Handbuch Ingenieurvermessung Grundlagen, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1988 Günter Petrahn: Taschenbuch Vermessung, Grundlagen der Vermessungstechnik, Cornelsen, 1999 Vorlesungsaufzeichnungen Anlagen • • • • Protokoll zur Horizontalwinkelmessgenauigkeit Protokoll zur Vertikalwinkelmessgenauigkeit Protokoll Frequenzprüfung Leica TC 1600N Protokoll Frequenzprüfung RecElta 3 28
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