Instrumentos topográficos

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INSTRUMENTOS
4.1 La utilización de instrumentos topográficos: levantamiento de puntos.
Como recordaremos, la definición de Topografía del profesor Domínguez García tejero, la habíamos
sintetizado en tres apartados:
-Representación.
-Métodos.
-Conocimiento de instrumentos.
Este tercer apartado es el que desarrollaremos a continuación.
Pero previamente a su estudio, tenemos que pensar que los instrumentos sirven para levantar puntos
significativos del terreno (puntos de la red topográfica, puntos de una alineación de fachada, etc.)
estableciendo la situación de unos respecto a otros, midiendo distancias y ángulos.
4.1.1 Clasificación de puntos topográficos
Los podemos clasificar en tres grandes grupos, según su duración:
1-Puntos permanentes.
2-Puntos semipermanentes.
3-Puntos de relleno.
1- Puntos permanentes. Pueden estar señalados en el terreno, mediante mojones de piedra,
dados de hormigón, taladros en las fachadas de los edificios, etc. Los más significativos son
los vértices geodésicos con un aspecto parecido al de la figura.
Figura 4.1 Vértice Geodésico.
2- Puntos semipermanentes. Se señalan en el terreno mediante estacas o clavos, y se
suelen utilizar para un trabajo posterior, quitándose cuando se termina el mismo. En algunos
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casos se realizan con pintura. Es el caso típico de los puntos de replanteo (estacas) del perfil
longitudinal de un saneamiento.
Figura 4.2 Estacas
3- Puntos de relleno. Estos puntos no se señalan y sólo se utilizan en el momento de
realizar la observación, como por ejemplo puntos para obtener curvas de nivel.
4.2. Instrumentos topográficos simples.
Se consideran instrumentos topográficos simples los que sirven par resolver problemas sencillos de la
topografía, o bien los que forman parte de otros instrumentos compuestos.
Podemos clasificar los instrumentos simples, por la función que desempeñan en:
- Instrumentos para definir rectas y planos, horizontales y verticales.
- Instrumentos para determinar direcciones (alineaciones).
- Instrumentos para determinar longitudes
4.2.1 Instrumentos utilizados en la definición de rectas y planos, horizontales y verticales.
-Plomada
-Nivel de escuadra o perpendículo.
-Nivel de agua.
-Nivel tórico o nivel de burbuja tórico.
Está constituido por un tubo de vidrio de forma tórica y amplio radio de curvatura. El tubo va
casi lleno de un líquido poco viscoso (alcohol), dejando en su interior una burbuja de aire, que
ocupa la parte más alta del tubo.
Sobre el tubo de vidrio se realizan unas marcas separadas generalmente 2 mm.
Figura 4.6. nivel de burbuja tórico.
Se llama sensibilidad S del nivel, al ángulo central, expresado en segundos,
correspondiente a un arco de 2 mm de longitud, de la línea exterior del nivel. La sensibilidad
suele ser expresada por los fabricantes en segundo sexagesimales.
S "=
2 mm 360x60x60 2
x
= 206265"
R mm
2π
R
2
De la expresión anterior se desprende que niveles con sensibilidad alta son poco precisos
porque el radio de curvatura es pequeño. En cambio niveles con un gran radio de curvatura
son muy difíciles de calar y tienen una sensibilidad baja.
Las sensibilidades oscilan entre 1" a varios minutos.
-Nivel esférico.
Está construido por un recipiente cilíndrico, que tapado por un casquete esférico de vidrio,
sobre el que se graba una circunferencia. El cilindro está lleno de un líquido poco viscoso con
una burbuja cilíndrica en su interior.
Figura 4.7 Nivel esférico.
La sensibilidad de estos niveles es mucho menor que la de los tóricos, oscilando entre 1´ y
15´
4.2.2 Instrumentos para definir alineaciones
-Jalones y banderolas.
Figura 4.8 Jalón
-Alidadas de pínulas.
Figura 4.9 Alidadas
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-Escuadra de prismas o espejos.
Figura 4.10 Escuadra de prismas
-Anteojo astronómico.
Los elementos que componen el anteojo son el objetivo, retículo y ocular.
En los anteojos astronómicos, y con objeto de aumentar la claridad de los mismos, la imagen
resulta invertida. Actualmente los anteojos modernos tienen una lente adicional que permite
que la imagen sea directa, aún a costa de perder claridad.
Figura 4.11 Anteojo
Error de paralaje. La imagen del objeto no se forma en el retículo, sino antes o después del
mismo.
Se observa, mirando por el ocular y desplazando el ojo alternativamente hacia arriba y abajo.
Con este movimiento de la sensación de que se mueven los hilos del retículo sobre el objeto
observado el valor e que aparece en la figura.
El error de paralaje se produce, bien porque no están perfectamente enfocados los hilos del
retículo para nuestra vista, o bien porque lo que no está enfocado es el objeto observado.
Imagen delante retículo
Imagen sobre retículo
e
e
e
Figura 4.12 Retículo y error de paralaje
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Corrección del error de paralaje
1º- Se apunta hacia el cielo, o se pone un objeto blanco delante del objetivo, para conseguir
ver únicamente los hilos del retículo.
2º- Se enfoca, perfectamente para la vista del observador, los hilos del retículo. Hay que tener
en cuenta que si cambia el observador, debe repetirse todo el anterior proceso.
3º- Se enfoca perfectamente el objeto observado, accionando el tornillo de la lente de
enfoque hasta ver completamente nítido el objeto observado (normalmente una regla
graduada).
4º- Se desplaza el ojo hacia arriba y abajo, hasta comprobar que los hilos no dan la
sensación de moverse sobre el objeto observado.
4.2.3 Instrumentos para medir longitudes.
-Cintas de tela, sintéticas y metálicas
-Reglas o miras.
-Hilos de invar.
De los instrumentos enumerados anteriormente, en la actualidad sólo se utilizan las cintas métricas y
las miras.
Las cintas tienen, normalmente, 50 m de longitud, siendo más exactas las cintas metálicas que las
sintéticas.
Las miras son reglas metálicas de 4 metros de longitud divididas en cm, dobles milímetros o código
de barras.
Figura 4.13 Miras
4.3 Instrumentos topográficos compuestos.
Teodolitos, distanciómetros, estaciones totales, niveles.
Todos los instrumentos anteriores, básicamente, sirven para medir ángulos y distancias, y en algunos
casos para determinar solamente desniveles. Pero, en general, todos ellos pueden hacer lo mismo,
aunque varía la precisión.
4.3.1 Teodolitos y taquímetros: clasificación; elementos; nivelación y puesta en estación.
Son los instrumentos por excelencia utilizados para medir ángulos. Si además pueden medir
distancias por procedimientos ópticos, se denominan TAQUIMETROS. Actualmente, todos los
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teodolitos que se fabrican son taquímetros, por lo que solamente nos referiremos a ellos.
Clasificación de los taquímetros
Taquímetros:
ópticos
electro-ópticos.
electrónicos
Todos ellos puede ser a su vez : repetidores y reiteradores.
Los taquímetros ópticos nos permiten la lectura de los limbos y distancias por procedimientos ópticos,
en los electro-ópticos las distancias se miden con estadía y la lectura de los ángulos se obtienen con
una pantalla de cristal líquido, por último los electrónicos dan las lecturas de los limbos y las
distancias en pantallas de cristal líquido.
Elementos de un taquímetro.
Trípodes:
- De meseta
- Basculantes
Figura 4.14 Trípodes
Plataforma nivelante: Es una plataforma movida por tres tornillos situada sobre la cabeza
del trípode.
Figura 4.15 Plataforma nivelante
Plato del limbo horizontal: Es un círculo graduado. Existen dos tipos según sea su lectura.
Limbos ópticos de vidrio y limbos digitales.
Alidada: Elemento giratorio alrededor de un eje vertical, en donde se encuentran situados los
siguientes elementos.
Carcasa.
Limbo vertical:círculo graduado de vidrio, al igual que el limbo horizontal tiene dos
tipos de lectura óptica o electrónica.
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Niveles: puede tener uno, dos o tres de burbuja tóricos o esféricos.
Anteojo: sirve para apuntar al prima.
Mandos y sistemas: que accionan o sirven para leer los elementos anteriores.
Figura 4.16 Taquímetro digital
Mandos de movimiento de limbos:
-repetición
-reiteración.
Mandos de movimientos generales:
-tornillos de precisión: fijación y freno.
-tornillos de coincidencia: movimiento lento.
Mandos de enfoque:
-anteojo
-retículo
Dispositivos de puntería aproximada.
Elementos de centrado:
-plomada: láser, óptica o de hilo.
Ejes de un taquímetro.
Eje vertical. Principal. EP
Eje horizontal. Secundario. Eje de muñones. EM
Eje de puntería. Eje de colimación. PC.
Deben de ser perpendiculares dos a dos, el eje vertical perpendicular al secundario y el
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secundario perpendicular al de colimación.
Nivelación y puesta en estación de un taquímetro.
Para hacer la puesta en estación de un taquímetro se deberá hacer coincidir la dirección del
eje vertical, con el punto donde se estaciona utilizando la plomada (óptica o hilo) o el bastón
centrador.
Después habrá que nivelar el instrumento, para lo cual, utilizamos los tres tornillos nivelantes
y el nivel tórico (placa niveladora) situado en la alidada.
1) Coloque la placa niveladora en paralelo con una línea imaginaria que una
entre sí dos tuercas niveladoras cualesquiera. Ajuste a continuación ambas
tuercas y sitúe la burbuja en el centro del nivelador. Para ajustar las dos
tuercas al mismo tiempo, hágalas girar en direcciones opuestas. Note que
el movimiento del dedo índice de la mano derecha marca la dirección del
movimiento de la burbuja.
2) Gire la placa niveladora 90º y actúe sobre la tercera tuerca de forma que
la burbuja quede bien situada en el centro.
3) Repita los pasos (1) y (2) girando 90º la placa niveladora, de manera que
la burbuja quede situada en el centro siempre que se mueva la placa
niveladora en cualquier dirección.
4.3.2 Distanciómetros.
Son instrumentos que miden distancias, con gran exactitud, basándose en la reflexión de ondas
luminosas, infrarrojas, láser o microondas sobre un prisma reflector, situado en el punto cuya
distancia al instrumento queremos medir.
4.3.3 Estaciones totales.
Son taquímetros electrónicos, con lectura digital de limbos, a los que se incorpora un distanciómetro
cuyo haz sale por el eje del anteojo.
Figura 4.17 Estación Total
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1 Dispositivo de puntería
2 Auxiliar de puntería integrado EGL (opcional)
3 Ajuste fino, vertical
4 Batería
5 Batería, tapa y distanciador para GEB111
6 Tapa de la batería
7 Ocular, Enfoque del retículo
8 Enfoque de la imagen
9 Asa desmontable, con tornillos de fijación
10 Interfaz serie RS232
11 Tornillo nivelante
12 Objetivo con distanciómetro electrónico (EDM) integrado; orificio de salida del rayo
de medición
13 Pantalla
14 Teclado
15 Nivel esférico
16 Tecla de encendido
17 Disparador de la medición
18 Ajuste fino, horizontal
Variantes de las estaciones totales:
Libreta de campo electrónica, donde se anotan directamente y a través de un cable de
conexión con la estación las lecturas y distancias.
Onda portadora de audio modulada con el haz ondulatorio (normalmente microondas) que
sirve para comunicaciones con el porta-prisma.
4.3.4 Niveles: clasificación.
-
De manejo rápido o inclinables.
-
Automáticos.
Figura 4.18 Nivel inclinable
Figura 4.18 Niveles automáticos
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-
Digitales:
Niveles automáticos con distanciómetro incorporado y registro automático de datos. La mira
tiene código de barras y división en mm.
Figura 4.19 Niveles digitales
- Láser de doble plano.
Figura 4.20 Nivel láser de doble plano
4.4 Medida de ángulos. Métodos para aumentar la precisión de la medida de
ángulos: Regla de Bessel; método de repetición; método de reiteración.
Para medir ángulos ya hemos visto que se utilizan los limbos horizontales y verticales. Los limbos
verticales pueden tener el origen situado en:
- el Cenit (Limbos Cenitales)
- la altura de horizonte
- el Nadir (Limbos Nadirales)
Los métodos que seguidamente vamos a enumerar se pueden aplicar tanto a los ángulos
horizontales como a los verticales.
4.4.1 Regla de Bessel.
Consiste en visar dos veces el mismo punto, primero con el anteojo normal y se anotan las lecturas
de ángulos vertical y horizontal. Segundo con el anteojo invertido, previa vuelta de campana y giro de
200 g y se vuelven a anotar los ángulos horizontales y verticales.
El valor de los ángulos horizontal y vertical será el valor medio de los dos valores anotados.
4.4.2 Método de repetición.
Para utilizar este método habrá que utilizar instrumentos repetidores. Consiste en medir varias veces
el ángulo que forman dos alineaciones, anotando la medida.
Se anota la lectura del limbo H1 al visar el primer punto, se dirige la visual al segundo punto y sin
anotar lectura alguna se aprieta la mordaza de repetición, dirigiendo de nuevo la visual al primer
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punto, donde se suelta la mordaza de repetición, y se vuelve a repetir el proceso. Se anota el número
de veces N que se repite y la última lectura del limbo HN al visar el punto de la segunda alineación. El
ángulo α que forman las dos alineaciones será:
α =
H N − H1
N
4.4.3 Método de reiteración.
Se miden con taquímetros reiteradores. Consiste en hacer lecturas en cuadrantes diferentes del
limbo.
El método de repetición y reiteración es conveniente combinarlos con la regla de Bessel.
En el caso del método de reiteración, la combinación con la regla de Bessel, nos permite hacer
lecturas en los cuatro cuadrantes del limbo.
4.5 Errores en los teodolitos.
Los errores accidentales que se suelen cometer en la utilización de los teodolitos son los siguientes:
Error de verticalidad.
Error de dirección.
Error de puntería.
Error de lectura.
Error de verticalidad: se debe a que el eje principal no quedará perfectamente vertical, aunque
nivelemos perfectamente el teodolito y al girar una vuelta completa el instrumento la burbuja del nivel
de la alidada aparezca perfectamente calada. Este error depende de la mayor o menor sensibilidad
del nivel, que vendrá especificada por el fabricante. Afectará tanto a las observaciones de ángulos
cenitales como acimutales.
Figura 4.21 Error de verticalidad
Error de dirección: es debido a que la plomada del instrumento no coincide exactamente con el
centro de la señal en el terreno, cometiéndose el error Epi de la figura y a su vez el jalón o el prima
no estará exactamente en la vertical del punto visado, cometiéndose el error Epp. Estos dos aspectos
influyen en que el acimut observado difiera del verdadero dando lugar al error de mayor importancia,
denominado de dirección Ed y que sólo tiene importancia, en las observaciones de ángulos
acimutales.
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Epi
Epp
Ed
Epp
P
Ed
I
Epi
D
Figura 4.22 Error de dirección.
De la figura se deduce que el valor del error de dirección es:
Epi + Epp
Ed = arcsen
D
Al ser el error de dirección inversamente proporcional a la distancia entre el instrumento y el prisma,
disminuirá conforme aumente la distancia entre puntos.
Este error es el más importante de todos los errores cometidos con los teodolitos y supone casi un 99
% del error total.
El error de dirección se puede disminuir apuntando al punto del suelo donde se pone el prisma. Con
ello conseguimos reducir prácticamente a cero el error de posición Epp del prisma sobre el punto.
Error de puntería: se produce por no coincidir exactamente el hilo vertical del retículo con el jalón o
centro del prisma en las observaciones de ángulos horizontales, y al no coincidir el hilo horizontal con
la lectura de una división de la mira en las lecturas de ángulos verticales (cenitales).
Figura 4.23 Error de colimación horizontal
Error de colimación horizontal (COLIM-HZ). El error de colimación (C) es la desviación del
ángulo recto formado por el eje de muñones y la línea visual. Se elimina efectuando
mediciones en dos posiciones del anteojo.
Figura 4.24 Error de índice vertical
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Error de índice vertical (INDICE-V). Si la línea visual es horizontal, la lectura del círculo
vertical debería ser de exactamente 90° (100 g). La desviación de este valor se denomina
error de índice vertical (i).
Error de lectura de ángulos: es el cometido en la apreciación de nonios y micrómetros, al leer tanto
ángulos cenitales como acimutales. En las estaciones totales y taquímetros digitales no se comete.
Error total o error máximo: es la suma de todos los errores anteriores.
4.6 Errores en los niveles.
Error de horizontalidad: E NH.
Es el producido por la imperfecta horizontalidad del eje de la visual (colimación) obtenida al nivelar el
instrumento, es análogo al error de verticalidad de eje de los teodolitos. Depende de la sensibilidad
del nivel de burbuja y por tanto viene expresado en segundos.
Tipo de burbuja
Burbuja convencional
Burbuja partida
ENH (“)
1
S
3
1
S
20
Error de puntería: ENP.
Es análogo al de los teodolitos, obtenido como consecuencia de la lectura imprecisa sobre la mira.
Viene expresado en segundos.
ENP =
50 "
4A
(1 +
)
A
100
Siendo A los aumentos del anteojo del nivel.
Error total: ENT.
Es el error resultante, obtenido como suma de los dos anteriores.
2
2
E NT = E NH
+ E NP
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