Jak klasyfikujemy przyrządy pomiarowe?
Wprowadzenie Przeczytaj
Mapa myśli/mapa pojęć Sprawdź się
Dla nauczyciela
Wprowadzenie
Czy to nie ciekawe?
Pomiary spotykamy od najmłodszych lat. Każdy z nas został zważony i zmierzony tuż po urodzeniu.
Mierzymy temperaturę powietrza i ciśnienie atmosferyczne, długość przebytej drogi, szybkość ruchu, czas wykonywania różnych czynności, puls i ciśnienie krwi, itp. Wiele przyrządów pomiarowych stosuje się w różnych gałęziach przemysłu, medycynie, handlu i badaniach naukowych, a także w szkolnym laboratorium fizycznym. Przyrząd o tej samej nazwie może mieć różne zastosowania. Na przykład ciśnieniomierz może służyć do pomiaru ciśnienia wody w instalacji wodnej (Rys. a.) oraz do pomiaru ciśnienia krwi (Rys. b.).
Rys. a. Pomiar ciśnienia wody
Rys. b. Ciśnieniomierz do pomiaru ciśnienia krwi
Twoje cele
W tym e‑materiale:
poznasz różne przyrządy pomiarowe i możliwe ich zastosowania;
poznasz kryteria klasyfikacji przyrządów pomiarowych;
nauczysz się klasyfikować przyrządy pomiarowe według różnych kryteriów;
przeanalizujesz i uzupełnisz mapę pojęciową z klasyfikacją przyrządów pomiarowych.
Przeczytaj
Warto przeczytać
„Przyrząd pomiarowy to urządzenie lub układ pomiarowy, przeznaczone do wykonywania pomiarów samodzielnie lub w połączeniu z jednym lub wieloma urządzeniami dodatkowymi. Wzorce miary i materiały odniesienia są traktowane jako przyrządy pomiarowe.” (źródło: Ustawa z dnia 11 maja 2001 r.
Prawo o miarach, nowelizacja w Dz.U. z 2019 r.)
Pomiar polega na porównaniu mierzonej wielkości z wzorcem tej wielkości,
czyli na wykonaniu doświadczenia, którego celem jest wyznaczenie wartości mierzonej wielkości w przyjętych jednostkach miary.
Sposobami dokonywania pomiarów oraz zasadami interpretacji uzyskanych wyników zajmuje się metrologia, której podstawą są jednostki miar pogrupowane w układy. W Polsce i w większości krajów stosuje się międzynarodowy układ jednostek SI. Krajową instytucją metrologiczną jest Główny Urząd Miar (GUM), który zapewnia jednolitość miar i wymaganą dokładność pomiarów wielkości w Polsce poprzez realizacje, utrzymywanie wzorców pomiarowych i rozpowszechnianie jednostek miar (SI).
W specjalistycznych laboratoriach GUM przechowywane są państwowe wzorce pomiarowe oraz wykonywane są usługi metrologiczne dotyczące wzorcowania przyrządów pomiarowych, wytwarzania certyfikowanych materiałów odniesienia oraz wykonywania ekspertyz.
Przyrządy pomiarowe powinny być wykalibrowane, tzn. ich wskazania powinny być porównywane ze wzorcem. Jest to zadanie producenta, więc w instrukcji przyrządu często spotykamy informację, że przyrząd został wykalibrowany fabrycznie. Jeśli jednak zauważymy, że dany przyrząd pomiarowy przekracza dopuszczalny błąd pomiaru, należy dokonać jego wzorcowania.
Niektóre przyrządy pomiarowe podlegają legalizacji, czyli prawnej kontroli metrologicznej. Dotyczy to w szczególności przyrządów pomiarowych używanych w handlu i usługach. Przykładowe urządzenia podlegające legalizacji to: wagi, przyrządy do pomiarów długości, taksometry elektroniczne, wodomierze, gazomierze, przyrządy do pomiaru prędkości pojazdów.
Stosuje się różne klasyfikacje przyrządów pomiarowych, a w szczególności podział przyrządów ze względu na:
spełniane funkcje,
mierzone wielkości fizyczne, sposób prezentacji wskazań, obszar zastosowań.
Przy klasyfikacji przyrządów pomiarowych ze względu na spełniane funkcje wyróżnia się:
mierniki, rejestratory, detektory, charakterografy.
Mierniki to przyrządy pozwalające określić wartość mierzonej wielkości za pomocą podziałki
i wskazówki lub cyfrowego wyświetlacza. Przykładem są mierniki elektryczne takie jak: amperomierz, woltomierz, galwanometr, miernik uniwersalny, watomierz. Są stosowane w różnych laboratoriach i warsztatach, a także w pracowniach szkolnych i akademickich.
Rys. 1. a) Mierniki elektryczne - amperomierze wskazówkowe
Rys. 1. b) Mierniki elektryczne - miernik uniwersalny z cyfrowym wyświetlaczem
Do monitorowania warunków atmosferycznych stosuje się mierniki meteorologiczne takie jak:
termometr, barometr, anemometr, deszczomierz.
Rys. 2. Anemometr to przyrząd do pomiaru prędkości wiatru
Rejestratory to urządzenia służące do zapisu i prezentacji informacji o zmienności w czasie parametrów kontrolowanych procesów technologicznych lub pomiarów laboratoryjnych.
Ze względu na rodzaj nośnika zapisu wyróżnia się:
rejestratory papierowe – w których dane są zapisywane na taśmie papierowej, najczęściej za pomocą pisaka,
rejestratory cyfrowe – w których dane są zapisywane na nośnikach pamięci cyfrowej, np. karty pamięci FLASH, dyski twarde, taśmy magnetyczne itp.
Detektory to urządzenia do wykrywania i ewentualnej rejestracji różnych sygnałów, czy wielkości fizycznych. Są to na przykład: detektory cząstek elementarnych, detektory promieniowania elektromagnetycznego, detektory wykrywające zmiany parametrów fizycznych, czy zmiany składu chemicznego. W Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN koło Genewy znajduje się wiele detektorów do wykrywania cząstek elementarnych i badania struktury materii. Detektor ALICE (ang.
A Large Ion Collider Experiment) jest jednym z siedmiu detektorów zbudowanych przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Rys. 3. Detektor ALICE w CERN [Źródło: Stefan A. Gärtner [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]
W pomieszczeniach mieszkalnych coraz częściej stosuje się detektory tlenku węgla i dymu, wyposażone w urządzenia generujące sygnały dźwiękowe, które ostrzegają mieszkańców przy pojawieniu się czadu lub pożaru.
Rys. 4. Przykładowy detektor tlenku węgla i dymu
Charakterografy to urządzenia, służące do przeprowadzenia szybkich pomiarów elementów elektronicznych. Przyrządy te umożliwiają prawie natychmiastowe wykreślanie charakterystyk prądowo‑napięciowych elementów półprzewodnikowych, np. złącza p‑n.
Sposób prezentacji wskazań jest kryterium podziału przyrządów na:
przyrządy pomiarowe z odczytem analogowym,
przyrządy pomiarowe z odczytem elektronicznym (cyfrowym).
Przykładem są mierniki elektryczne z odczytem analogowym i cyfrowym (Rys. 1.) oraz suwmiarki:
noniuszowa (Rys. 5a.) i cyfrowa (Rys. 5b.). Noniusz to pomocnicza podziałka zwiększająca dokładność odczytu na głównej podziałce kreskowej.
Rys. 5. a) Suwmiarka z noniuszem o rozdzielczości 0,02 mm [Źródło: I, ArtMechanic [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]
Rys. 5 b) Suwmiarka cyfrowa
Przy klasyfikacji przyrządów pomiarowych ze względu na mierzone wielkości fizyczne wyróżnia się następujące grupy przyrządów:
przyrządy do pomiaru wielkości geometrycznych, przyrządy do pomiaru czasu,
przyrządy do pomiaru siły i masy, przyrządy do pomiaru temperatury, przyrządy do pomiaru ciśnienia,
przyrządy do pomiaru wielkości elektrycznych, przyrządy do pomiaru promieniowania,
itp.
Przyrządy pomiarowe stosowane w różnych obszarach nauki i przemysłu można podzielić na wiele grup.
Należą do nich:
przyrządy do pomiarów medycznych, przyrządy do pomiarów w telekomunikacji, przyrządy do pomiarów w budownictwie, przyrządy do pomiarów meteorologicznych, przyrządy do pomiaru warunków środowiskowych, przyrządy geodezyjne,
przyrządy fizyczne, przyrządy astronomiczne, itp.
Poszczególne rodzaje przyrządów można też klasyfikować ze względu na dokładność, zasadę działania czy zastosowanie. Ten sam przyrząd pomiarowy może być przydzielony do kilku grup.
Słowniczek
Metrologia
(ang. metrology) nauka zajmująca się sposobami dokonywania pomiarów oraz zasadami interpretacji uzyskanych wyników. (z j. greckiego: 'metreo' - mierzę + 'logos' - nauka)
Wzorzec jednostki miary (etalon, standard)
(ang. standard, etalon) przyrząd lub system pomiarowy przeznaczony do definiowania, realizacji, zachowania lub odtwarzania jednostki miary albo jednej lub wielu wartości pewnej wielkości, służący jako odniesienie do wzorcowania przyrządów i systemów pomiarowych (źródło: Encyklopedia PWN).
Wzorcowanie
(ang. calibration) czynność polegająca na kalibracji urządzenia pomiarowego tak, aby uzyskane wyniki spełniały podstawowe wymogi dokładności nakładane przez odpowiednie przepisy dotyczące miar.
(źródło: Encyklopedia zarządzania - https://mfiles.pl/pl/index.php/Wzorcowanie).
Legalizacja przyrządu pomiarowego
(ang. instrument verification) zespół czynności obejmujących sprawdzenie, stwierdzenie
i poświadczenie dowodem legalizacji, że przyrząd pomiarowy spełnia wymagania metrologiczne.
Mapa myśli/mapa pojęć
Klasyfikacja przyrządów pomiarowych
Jak możesz rozbudować zaproponowaną poniżej mapę pojęć dotyczącą klasyfikacji przyrządów pomiarowych?
Polecenie 1
Przeanalizuj zaproponowaną strukturę klasyfikacji, a następnie spróbuj uzupełnić brakujące elementy zastępując znaki zapytania odpowiednimi nazwami. Aby wygenerować uzupełnioną mapę, naciśnij
„Generuj”.
Polecenie 2
Przyporządkuj do odpowiednich grup następujące przyrządy:
amperomierz analogowy suwmiarka cyfrowa barometr
miernik hałasu
Zwróć uwagę na dodatkowe połączenia występujące w sytuacji, gdy ten sam przyrząd pomiarowy może być przyporządkowany do kilku kategorii.
miernik hałasu, amperomierz analogowy, suwmiarka cyfrowa, barometr
...
... ...
... ...
Sprawdź się
Ćwiczenie 1
Uzupełnij zdania wskazując właściwe słowa w nawiasie.
Pomiar polega na porównaniu mierzonej wielkości z (wzorcem / modelem) tej wielkości. Wskazania przyrządów powinny być porównywane ze wzorcem. Oznacza to, że przyrządy pomiarowe powinny być (wyskalowane / wykalibrowane).
Ćwiczenie 2
Do mierników elektrycznych należą:
amperomierz barometr woltomierz termometr Ćwiczenie 3
W meteorologii wykorzystuje się:
termometr barometr siłomierz anemometr Ćwiczenie 4
Przyrządy pomiarowe, które są stosowane w medycynie to:
termometr barometr ciśnieniomierz glukometr Ćwiczenie 5
Przy klasyfikacji przyrządów ze względu na sposób prezentacji wskazań wyróżnia się:
mierniki, rejestratory i detektory analogowe i cyfrowe
elektryczne i meteorologiczne Ćwiczenie 6
Wybierz poprawne zakończenie zdania: Metrologia to nauka zajmująca się pomiarami meteorologicznymi.
nauka zajmująca się sposobami dokonywania pomiarów oraz zasadami interpretacji uzyskanych wyników.
metoda kalibracji przyrządu pomiarowego.
metoda legalizacji przyrządu pomiarowego.
Ćwiczenie 7
Przyporządkuj przyrządy pomiarowe do odpowiednich kategorii.
przyrządy do pomiaru wielkości geometrycznych, detektory, mierniki meteorologiczne, mierniki elektryczne
galwanometr przymiar metrowy detektor ruchu higrometr
Ćwiczenie 8
Przyporządkuj możliwe miejsca zastosowania do podanych przyrządów pomiarowych.
budynek mieszkalny, laboratorium badawcze, placówka medyczna, budynek mieszkalny, laboratorium badawcze, placówka medyczna, hala przemysłowa, placówka medyczna, hala przemysłowa,
laboratorium badawcze, stacja meteorologiczna, budynek mieszkalny, laboratorium badawcze, hala przemysłowa, placówka medyczna
termometr
detektor cząstek elementarnych
waga
detektor dymu
przyrząd do pomiaru EKG
Dla nauczyciela
Imię i nazwisko autora: Elżbieta Kawecka
Przedmiot: Fizyka
Temat zajęć: Jak klasyfikujemy przyrządy pomiarowe?
Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony
Podstawa programowa:
Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
Zakres podstawowy
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia
korzystając z ich opisów; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość.
Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji.
Kształtowane
kompetencje kluczowe:
Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,
kompetencje cyfrowe,
kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.
Cele operacyjne:
Uczeń:
1. pozna różne przyrządy pomiarowe i możliwe ich zastosowania.
2. pozna kryteria klasyfikacji przyrządów pomiarowych.
3. nauczy się klasyfikować przyrządy pomiarowe według różnych kryteriów.
4. przeanalizuje i uzupełni mapę pojęciową z klasyfikacją przyrządów pomiarowych.
Strategie nauczania: concept mapping / mind mapping – tworzenie i wykorzystywanie map pojęciowych / map myśli
Metody nauczania: - rozwiazywanie problemów, - dyskusja.
Formy zajęć: - praca w parach.
Środki dydaktyczne: mapa pojęciowa „Jak klasyfikujemy przyrządy pomiarowe?”, zestaw zadań interaktywnych
Materiały pomocnicze: e‑materiał: „Jakie przyrządy pomiarowe stosuje się do pomiaru wielkości fizycznych?”
PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca:
Zaciekawienie: Pogadanka ilustrująca różne zastosowania przyrządu do pomiaru ciśnienia.
Rozpoznanie wiedzy wyjściowej uczniów w kontekście realizowanego tematu oraz nawiązanie do tej
Rozpoznanie wiedzy wyjściowej uczniów w kontekście realizowanego tematu oraz nawiązanie do tej wiedzy:
- Jakie znasz przyrządy pomiarowe?
- Jakie przyrządy pomiarowe są używane do monitorowania warunków pogodowych?
- Czym się różnią przyrządy analogowe od cyfrowych?
Faza realizacyjna:
Nauczyciel dzieli uczniów na grupy 2‑osobowe (na przykład metodą losowania) i omawia sposób pracy z mapą pojęciową.
Praca w parach:
- Uczniowie oglądają i bawią się mapą pojęciową z klasyfikacją przyrządów pomiarowych rozwijając kolejne gałęzie. Po rozwinięciu wszystkich gałęzi uzupełniają brakujące nazwy przyrządów
korzystając z opisu w części „Przeczytaj”.
- Uczniowie przyporządkowują podane przyrządy pomiarowe do różnych kategorii, tworzą odpowiednie połączenia.
- Rozwiązują zadania interaktywne nr: 1 i 3. Nauczyciel pełni rolę doradcy, obserwuje i kontroluje pracę uczniów.
Faza podsumowująca:
Uczniowie w parach przeprowadzają dyskusję podsumowującą w oparciu o rozwiązanie zadań interaktywnych nr: 2, 4 i 7. Nauczyciel obserwuje pracę uczniów, wspiera w realizacji zadania.
Praca domowa:
Uczniowie utrwalają wiedzę i umiejętności zdobyte w czasie lekcji przez rozwiązanie w domu zadań interaktywnych nr: 5, 6 i 8.
Wskazówki metodyczne opisujące różne
zastosowania danego multimedium:
Mapę pojęciową można wykorzystać podczas lekcji tak, jak opisano w scenariuszu. Może być też samodzielnie wykorzystana przez uczniów po lekcji do przypomnienia, powtórzenia klasyfikacji przyrządów pomiarowych.
