Der Theodolit – ein besonderes Messgerät [Funktionsweise & Geschichte]

Theodolit auf der Baustelle

Wir möchten Ihnen hier das meist benutzte optisch-mechanische Winkelmessgerät vorstellen: den Theodolit. Ursprünglich im ober und untertägigen Bergbau verwendet, nutzten ihn Vermessungsingenieure (Markscheider) eines Bergwerkes. So werden bis heute mit einem Theodoliten Vertikal- und Horizontalwinkel gemessen. Ausgehend von topografischen Fixpunkten, werden sämtliche Punkte unter und über Tage exakt eingemessen, da bestimmte Winkel nur über die Entfernung und Höhenunterschiede errechnet werden können. Aus den gewonnenen Daten können durch anschließende Berechnungen beispielsweise Rückschlüsse auf räumliche Ausdehnungen getroffen werden.

Obwohl es zwischenzeitlich mittels GPS moderne Techniken für Vermessungssysteme gibt, sind besonders im untertägigen Bereich noch vorwiegend Theodoliten im Einsatz. Vor allem, weil der satellitengeschützte Empfang von GPS-Daten zur genauen Positionsberechnung im Berg nicht möglich ist. Daher funktionieren Theodoliten bis heute vorwiegend mechanisch.


Was ist ein Theodolit

Der Theodolit ist ein geodätisches Instrument zur Bestimmung von Vertikal- und Horizontalwinkeln (Zenitdistanzen, Zenitwinkeln). Theodoliten lassen sich nach Datenerfassung, Genauigkeit, Verwendungszweck und Instumentenbauteilen klassifizieren. So besteht der klassische Theodolit im Aufbau aus einem Stativ sowie Dreifuß mit Fußschrauben, wobei Letzterer das Instrument mit dem Gestell verbindet. Über eine fest verbaute Dosenlibelle im Unterbau erfolgt die Grobhorizontierung, das heißt, die Vertikalachse wird so gut wie senkrecht gestellt. Diese Röhrenlibelle (Stehachsenlibelle) wird mithilfe der Fußschrauben in der Feinhorizontierung so eingespielt, dass die Stehachse in allen Stellungen des Theodoliten lotrecht steht. Zur Senkrechtstellung der Vertikalachse werden anstelle von Röhrenlibellen auch Kompensatoren verwendet.

Das technische Gerät dient zum Messen von Richtungen und zwar vertikal als auch horizontal. Moderne Theodoliten sind entweder standardmäßig mit einem elektrooptischen Distanzmesser ausgestattet oder bieten diese Möglichkeit optional als Aufsatzmodell an. Allerdings reicht zum Feinhorizontieren eine Dosenlibelle nicht mehr aus, weshalb eine sogenannte Röhrenlibelle zum Einsatz kommt. Sie besteht aus einem beiderseits zugeschmolzenen zylindrisch gekrümmten Glasrohr. Zur Ablesung der Luftblase sind an der Außenfläche Marken in den Glaszylinder eingeätzt.
Moderne elektronische Theodoliten besitzen keine mechanische Röhrenlibelle mehr, sondern eine elektronische Libelle, deren Messwerte über ein Display abgelesen werden.

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Wie funktioniert ein Theodolit?

Auf den stabilen Unterbau wird ein beweglicher Oberbau gesetzt, der aus einem U-förmigen Fernrohrträgergehäuse besteht. Das Zielfernrohr inklusive Objektiv und Okular sind im Zentrum positioniert. Optische Theodoliten hingegen besitzen neben ihrem kleinen Ablesefernrohr ein Objektiv zur Feststellung des Vertikal- und Horizontalkreises. So ist Letzterer zentrisch zur Stehachse angeordnet und kann über Bezugsanzeigen oder -richtungen angezeigt werden. Während des gesamten Messvorgangs ist dieser fest mit dem unteren Bereich des Theodoliten verbunden. Direkt auf dem Horizontalkreis können die per Fernrohr angezielten Distanzen & Richtungen abgelesen werden. Aus den Richtungen werden im Anschluss die Horizontalwinkel ermittelt. Sowohl der Höhen- oder Vertikalkreis als auch der Horizontalkreis bestehen bei optischen Theodoliten aus Glas.

Dieser Glaskorpus ist zentrisch und rechtwinkelig auf der Kippachse befestigt und macht alle Bewegungen des Fernrohrs mit. Am Vertikalkreis hingegen kann in der horizontalen Zielrichtung oder im Zenit die Ablesestelle festgelegt sein. Die Höhenindexlibelle gewährleistet, dass die Ablesestelle und Stehachse zusammenfallen. Bei Abweichungen muss die Libelle nachjustiert werden. Bei elektronischen Theodoliten rücken zur Abtastung der Teilkreise Inkremental- oder Codeverfahren in den Fokus. Die Angabe der Messwerte erfolgt in digitaler Form. Über die Seitenfeststellschraube kann der drehbare Oberteil festgestellt werden, gleichzeitig erlaubt das feinfühlige Drehen die Einstellung der perfekten Position.

Vor Beginn der Messung muss das Faden- oder Strichkreuz scharf eingestellt werden. Dazu wird das Fernrohr auf unendlich fokussiert und gegen einen hellen Hintergrund gerichtet. Im Anschluss dreht man den Okularring so lange, bis das Fadenkreuz in präziser Schärfe erscheint. Aber Vorsicht: Um genaue Messergebnisse zu erzielen, darf
während des gesamten Messvorgangs die Einstellung nicht verändert werden.

Vorteile und Anwendungsbereiche

Die Technologie hinter einem Theodoliten funktioniert bereits seit Jahrzehnten gleich. Das Messgerät besitzt drei definierte Achsen, die in einer vordefinierten Beziehung zueinander stehen müssen:

  • Kippachse (senkrechte Achse durch den Drehpunkt des Fernrohres)
  • Stehachse (waagrechte Achse durch den Drehpunkt des Oberbaues)
  • Zielachse (Achse entlang der Ziellinie im Fernrohr)
  • Libellenachse (parallel zur Kippachse, entlang der Röhrenlibelle)

Ist diese Geometrie nicht exakt vorhanden, treten in den Messergebnissen Fehler auf. Allerdings können bestimmte Fehler durch besondere Messverfahren stark minimiert oder beseitigt werden. Elektronische Theodoliten sind selbständig in der Lage diese Fehler zu bestimmen und angemessen zu beseitigen.


Kaufberatung: Diese Dinge sollten sie beim Kauf eines Theodoliten beachten

Je nach Einsatzzweck und Messgenauigkeit werden folgende Genauigkeitsklassen unterschieden:

  • Universaltheodolit für die Astrogeodäsie
  • Sekunden- oder Präzisionstheodolit
  • Bautheodolit
  • Tachymeter

Alle zu bestimmenden Winkelmaße werden in „Gon“-Einheiten abgelesen. So entsprechen 100 Gon 90 Grad und ein Kreis beinhaltet demnach 400 Gon oder 360 Grad. Diese Einheit findet jedoch ausschließlich im Vermessungswesen ihre Anwendung. Allerdings werden elektronische Theodolitetn mit digitalisierten Teilkreisen elektronisch abgelesen. Dadurch ergeben sich geringere Fehlerquoten und kürzere Beobachtungszeiten bei der Erfassung.

Damit eine exakte Messung mit dem Theodolit durchgeführt werden kann, muss das Fernrohr mit seinem Ziel genau lotrecht auf dem zur Stehachse gelegenen Horizontalkreis übertragen werden. Um diese Präzision gewährleisten zu können, ist der Theodolit mit einem Achsensystem ausgestattet.

Standardmäßig ist die Messung von Distanzen mit dem Theodolit nicht möglich. Manche Geräte bieten alternativ eine gesonderte Vorrichtung für diesen Zweck. Ein Theodolit mit integrierter Entfernungsmessung wird als Tachymeter bezeichnet. Damit kann man beliebige Punkte über ihre Vertikal- und Horizontalwinkel als auch ihre Distanz zum Gerät bestimmen. Bei digitalen Modellen übernimmt das Gerät den Berechnungsaufwand.

Wer Informationen und Ergebnisse auf dem Laptop sichtbar machen möchte, benötigt eine Totalstation. Die Kombination aus Tachymeter und Notebook überträgt Daten per Bluetooth oder Kabel.

Vertikalmessungen werden üblicherweise mit einem Zenitwinkel durchgeführt, wobei die Nullrichtung entlang der Stehachse nach oben zeigt. Sofern die Horizontierung genau durchgeführt wurde, können die Vertikalwinkel einfach abgelesen werden. Digitale Geräte übernehmen sowohl die Berechnung als auch die optimale Ausrichtung des Lots automatisch. Abseits professioneller Vermessungsbereiche empfiehlt sich der elektronische Umgang – nicht zuletzt um Messfehlern vorzubeugen.

Das kommt beim mechanischen Theodolit auf Sie zu: Bei jedem Zielvorgang wird ein weit entfernter Gegenstand anvisiert, wobei man die Zwischenlinse so lange verschiebt, bis man das betreffende Objekt scharf sieht. Der Dioptriering hilft beim Scharfstellen des Fadenkreuzes. Für die Messung von Horizontalwinkeln müssen verschiedene Zielpunkte nacheinander angepeilt werden – aus den Differenzen der unterschiedlichen Messergebnisse ergibt sich die genaue Winkelberechnung. Um Instrumentenfehler zu eliminieren, werden alle Richtungen im Uhrzeigersinn und im Anschluss entgegen 180 Grad um die Kippachse alle Richtungen erneut vermessen. Wem der Umgang mit einem mechanischen Theodolit zu umständlich erscheint, entscheidet sich besser für eine der digitalen Gerätevarianten.


Der Theodolit & seine Geschichte

Das Präzisionsinstrument wird vornehmlich zur Messung von Vertikal- und Horizontalwinkeln eingesetzt und hauptsächlich von Vermessungsingenieuren genutzt. Beispielsweise für Ausrichtungs- und Fluchtungsarbeiten und zum Abstecken von Winkeln. Auch in der Astronomie findet der Theodolit Anwendung – die Ursprünge dieses Messinstrumentes gehen bis ins frühe 15. Jahrhundert zurück. Der Theodolit wurde von Meister Johan Hüller in Franken erfunden (Astrolabium). Es war der Engländer Leonard Digges, der dem Gerät seinen bis in die Gegenwart gültigen Namen verpasste. Um 1560 ließ Wilhelm von Hessen einen Quadranten bauen, der ebenfalls zur Beobachtung von Winkeln und Horizontalwinkeln diente.

Theodolit als Dekoration vor weißem Hintergrund
Historische bzw. alt anmutende Theodoliten sind sehr dekorativ | © DioGen – stock.adobe.com

Der Instrumentenbauer Humphrey Cole interpretierte schließlich die Schriften von Digges und konzipierte nach dessen Idee entsprechende Geräte. Im Jahre 1576 entwarf auch Erasmus Habermel einen Theodoliten als Universalinstrument. Der Mann, der dem Theodoliten im 18. Jahrhundert seine heutige Form gab, war der englische Mechaniker John Sisson. Allerdings brauchte es noch bis nach Mitte 1750, bis Sisson’s Erfindung über die Grenzen Englands hinweg bekannt wurde. Doch seit der Werkstättengründung von Brandner in Augsburg werden Theodoliten fast ausschließlich nach dem englischen Vorbild konstruiert und verwendet.


Theodolit als Dekoration

Trödelmärkte, Second Hand oder interessante Onlineshops – sie alle sind wahre Fundgruben und neben vielen hübschen Kleinigkeiten, hat vor allem diese Apparatur namens Theodolit einen Platz im wohnlichen Zuhause verdient. Was macht der Theodolit? Eigentlich nur gut aussehen, aber das kann er dafür besonders gut. Die meisten alten Modelle sind im 20. Jahrhundert hergestellt worden, wobei es sich bei allen um ein ursprünglich einsatzbereites Vermessungsgerät handelt. Ganz fantastisch passt der Theodolit als antikes Dekorationsobjekt in Büros, öffentliche Bereiche und private Wohnungen. Er harmoniert überall – benötigt aber Raum zur Wirkung. Der dekorative Bogen lässt sich zu nahezu allen maritimen oder technischen Themen spannen.

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Von Sammlern über leidenschaftliche Techniker, bis zu Vermessungsbüros – ein antikes Nivelliergerät besitzt in Fachkreisen einen hohen Stellenwert, zumal es nicht sehr viele wirklich alte Theodolit-Modelle gibt. Bei vielen Vintage-Dekos handelt es sich jedoch um einen Nachbau – er eignet sich für jeden Technologieinteressenten, der für die Präsentation dieses Stückes einen passenden Platz bereithält. Zu kaufen auf Amazon, eBay oder anderen Onlineplattformen.

Zusammenfassung

Fazit zu Theodoliten

Das Verlangen nach Präzision wird durch die Funktionen der Skalenkreise mit der nötigen geodätischen und astronomischen Genauigkeit des Instruments gestillt. Der Theodolit wurde vor allem zur Messung von Winkeln benutzt, dafür werden markante Punkte in der Landschaft anvisiert (Bergspitzen, Kirchtürme). Diese Punkte bilden ein überdeckendes Dreiecksnetz, deren ermittelte Winkel eine direkte Längenmessung von Entfernungen ermöglicht. Im Bereich der astronomischen Beobachtung diente der Theodolit zur Positionierung im Gradnetz der Erde.

Damals wie heute steht die einfache Transportfähigkeit im Vordergrund, um eine Vielzahl von Messungen in relativ kurzer Zeit durchzuführen. Dennoch sollte das Land am Ende so genau wie möglich erfasst sein. Ein moderner Staat wurde seit dem nachrevolutionären Frankreich sehr eng an die exakte neuartige Wissenschaft geknüpft. Gerade weil man in der praktischen Durchführung der Landvermessung noch auf wenig Erfahrung zurückgreifen konnte, war dies anfänglich mit vielen Schwierigkeiten und Fehlerquellen verbunden. Jedes einzelne Instrument wie der Theodolit kam als Garant für Präzision große Bedeutung zu.

So verfügt der antike Theodolit über den wichtigen Skalenkreis zusammen mit den Speichern, die sowohl bei Hitze und Kälte immer die gleiche Ausdehnung in allen Bestandteilen gewährleistete. Um die notwendige feine Skaleneinteilung für eine genaue Winkelablesung zu erreichen, wurden im Laufe der Zeit immer präzisere Kreisteilungsbereiche entwickelt. So lange bis ein einzelner Teilstrich auf der Skala nur mehr mit der Lupe zu erkennen war.

Dank diesem Meisterwerk an Genauigkeit wird der Theodolit bis heute bei jedem Zielvorgang per Fernrohr auf das Auge des Beobachters eingestellt.

FAQ zu Theodoliten

1Wichtig bei der DIY-Variante: das Zielfernrohr. Es sollte sich um zwei Achsen drehen lassen und entweder mit oder ohne Vergrößerung ausgestattet sein. Außerdem muss der auf diese Weise eingestellte Winkel möglichst genau abgelesen werden können. Ein ausrangiertes Teleskop bildet die Basis, alternativ können Ober- und Unterbau mit einer CNC-Fräse oder einem 3-D-Drucker hergestellt werden.
Das typische Arbeitsgerät für Vermessungen am Bau. Der Theodolit bietet Präzision auf der ganzen Länge und bis in den letzten Winkel. Um einen Theodoliten zu kaufen, gibt es folgende Möglichkeiten.
Die Hauptkomponenten bilden der Unterbau, bestehend aus einem Horizontalkreis und einem Stativ mit Fußschrauben. Hinzu kommt ein beweglicher Oberbau, zudem ein Gehäuse inklusive Fernrohrträger zählt (das Fernrohr zum Anzielen der Objektpunkte). Mithilfe von Libellen wird das Instrument ebenso lotrecht gestellt wie die Ableseeinrichtung. Beim Aufstellen muss das Stativ so positioniert sein, dass die Beine ein gleichseitiges Dreieck bilden und sich in dessen Zentrum der Vermessungspunkt befindet.

Recherchequellen


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