Леонид Ашкинази - Очень общая метрология

ИК-термометрия с высоким пространственным разрешением (ИК-тепловидение) получила важное применение в медицине: при разрешении в тысячные доли кельвина оказалось возможным быстро и не травмируя пациента диагностировать более ста болезней ( http://ufn.ru/ru/articles/2006/12/d/).

Можно представить себе ситуацию, когда нужно измерить тепловое поле в пространстве, например распределение температур в горячем плотном газе, скажем, в атмосфере звезды. В этом случае восстановление трехмерного распределения температур по двумерным данным возможно при наличии некоторой модели объекта, то есть при каких-то ограничениях.

Заметим, что во всех перечисленных выше случаях прибор слабо влияет на объект ввиду относительно большой массы человека.

Разумеется, новые типы приборов вытесняют старые — и в метрологии, и вообще во всей технике. Естественно, эта смена поколений идет неравномерно, причем новая техника заменяет старую в основном там, где увеличение эффективности достаточно велико, чтобы преодолеть разумную и не разумную техническую инерцию. В ситуациях, где выигрыш мал или применение новой техники не возможно, сохраняется применение старой. Например, можно ожидать сохранения традиционных способов термометрии при высоких температурах или при высокой радиации, когда применение полупроводниковой техники затруднительно или невозможно.

Еще один распространенный случай измерения температуры — это измерение температуры воздуха за окном. Цель такого измерения понятна всем, кроме индийских йогов, поэтому рассмотрим проблемы. Точность сама по себе проблемой на является, но вот условия измерения представляются сложными: на датчик, выставленный за окно, действует и дождь, и ветер, и солнечное излучение, и таинственный свет Луны. Дождь сильно влиять на показания не должен — капли летят сквозь атмосферу и теплообмен за время порядка секунд должен установить тепловое равновесие. Дождь с ветром температуру будут занижать — если влажность не 100 %-ная, обдув увеличивает испарение, которое идет с отводом тепла. Ветер сам по себе на показания влиять не должен; фраза «ветер сегодня холодный» и аналогичные — бред, но этот бред устроен, как Офелия — «В ее безумии есть система». А именно, если человек теплее воздуха, то увеличение скорости движения воздуха действительно увеличивает теплоотвод, а если поверхность влажная, то скрытая теплота фазового перехода (парообразования) увеличит эффект. Тепловое излучение окружающих предметов вряд ли будет замечено обычным бытовым термометром — мы ощущаем тепловое излучение костра и электроплиты, находясь от огня или нагревателя в метре, но разность температур в этих случаях составляет сотни градусов, а не единицы. Теплосъем излучением при тех температурах, которые бывают за окном, не превосходит 2 Вт/м 2К порядка, в то время как естественная конвекция при геометрии термометра обеспечит 70 Вт/м 2К. Самое сильное влияние на показания оказывает солнечное излучение, даже говорят «температура в тени», «температура на солнце» (не на Солнце!). Разумеется, никакой «температуры на солнце», как характеристики погоды, не существует. Температура, до которой нагреется термометр, определяется его оптическими свойствами, то есть коэффициентами черноты в оптическом диапазоне. В худшем случае, если излучение поглощается все (1,5 кВт/м 2), перегрев при указанных выше значениях теплоотдачи будет составлять 20 °C, что примерно и наблюдается на практике (из ностальгических соображений расчет проведен согласно книге Б.М.Царев «Расчет и конструирование электронных ламп»).

С другой стороны, понятие «температура на солнце» имеет вполне ясный прикладной смысл. Эта величина дает информацию о том, жарко ли будет на солнце лично мне. Ответ на этот вопрос зависит не только от температуры воздуха и мощности солнечного излучения, но также от скорости ветра и влажности воздуха. Не говоря уж о моих личных характеристиках — например того, мокрый я или сухой и как одет. Можно конечно сообщать отдельно все четыре величины, но человеку для оценки того, что там происходит, сильно ли опять ошиблись эти, как их… и наконец, что надеть, нужна какая-то одна величина. То есть возникает проблема выработки нового понятия. Это понятия «эквивалентная температура» и «ветро-холодовой индекс».

Ветро-холодовой индекс Сэйпла (автора большинство авторов не указывает) зависит от температуры и скорости ветра и определяется как температура при отсутствии ветра, при которой человек будет чувствовать себя так же, как при наличных температуре и скорости ветра ( http://spravki.net.ru/usefull/veter.htmили http://www.zlatoust.ru/various/wind.html).

Эквивалентная температура определяется несколькими различными способами. Метеорологи говорят, что эквивалентная температура соответствует той температуре воздуха, которую он имел бы после конденсации всего содержащегося в нём водяного пара при неизменном атмосферном давлении ( http://www.sovets.ru/Itisinteresting/weather/weather_and_curious/5491.htm).

Занимающиеся условиями труда и промсанитарией полагают, что она характеризует воздействие на человека температуры воздуха, радиационной температуры и скорости движения окружающего воздуха и вычисляется по показаниям сухого и влажного термометров и анемометра ( http://www.diclib.com/cgi-bin/d1.cgi?l=ru&base=medical&page=showid&id=31786).

Встречаются в литературе и иные определения, используют выражение «условная температура» и, возможно, другие.

Сделать из четырех параметров один можно разными способами, и что способ, который в итоге избирает традиция, определяется удобством для практики. Дать универсальное определение невозможно, потому что воздействие атмосферных условий на человека зависит не только от параметров атмосферы и окружения (облучения), но и от того, что он делает, как одет и его индивидуальных особенностей (как потеет, как воспринимает). Метролог должен понимать это, уметь разобраться в существующих определениях, не покупаясь на бессмысленные реплики «как определено» или «как известно» в рекламных материалах, понять, установить область эффективности понятий и при необходимости предложить свое сто первое.

В медицине измеряют множество разных величин, например концентрации каких-либо веществ в каких-либо средах, механические величины (вес, линейные размеры, перемещение, давление, силу, объем выдыхаемого воздуха), частоты (пульса, дыхания), электрические величины (потенциалы). С точки зрения метрологии в большинстве случаев эти измерения не представляют сложности — требования к точности и скорости измерений обычно вполне умеренны. В некоторых случаях, естественно, возникают специфические трудности, например при измерении потенциалов (ЭКГ) есть проблема обеспечения хорошего и стабильного контакта.