Леонид Ашкинази - Очень общая метрология

• Название: Очень общая метрология
• Автор: Леонид Ашкинази
• Жанр: Научпоп

---

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/м2К порядка, в то время как естественная конвекция при геометрии термометра обеспечит 70 Вт/м2К. 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/м2), 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.htm или 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.

Медицинские измерения

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.

Все виды томографии, в том числе рентгенография, ультразвуковая (УЗ) «дефектоскопия», магниторезонансная томография и другие, сводящиеся к изучению либо прошедшего через объект электромагнитного или звукового излучения, либо в тех или иных условиях испускаемого объектом электромагнитного излучения. С точки зрения метрологии сами решаемая задача — восстановление трехмерной картины по двумерным изображениям — не тривиальна. В некоторых случаях проблемой является и обеспечение чувствительности метода, в частности для уменьшения воздействия метода исследования на объект.

Общей проблемой медицинской метрологии является обеспечение неразрушающих и по возможности мало влияющих на объект методов измерения, а также сильная зависимость значения измеряемых параметров от прочих параметров объекта. В некоторых случаях применяется принудительная стабилизация параметров (…а это, голубчик, только натощак), в иных — измерения с усреднением. Если параметры объекта существенно изменяются со временем суток, состоянием сна-бодрствования и родом занятия, именно эти изменения становятся информативны.

В этом случае применяется длительное (сутки) наблюдение значений этих параметров. Его называют «мониторирование», потому что слово мониторинг медики используют как синоним наблюдения вообще, а для этого наблюдения им захотелось иметь отдельное слово. Реально чаще всего применяется мониторирование ЭКГ — электрокардиограммы и АД — артериального давления, реже — внутричерепного давления, концентрации сахара в крови, температуры тела.

Аргументы за такое наблюдение очевидны: получение данных в реальных условиях, при всех обычных для данного человека жизненных факторах, с выявлением обычной суточной периодичности, с экономией времени, в отсутствие пугающего некоторых белого халата и вообще…

Измерение мощности излучения, доз облучения, активности нуклида

Эти измерения в быту применяются, к счастью, редко. В нормальной жизни — собственно, никогда. Но нам их производить приходилось, и будь люди в этой сфере компетентнее — и трупов, и страхов было бы меньше. Наверное, не на всех планетах Вселенной история складывается именно так, но на планете Земля, на которой вы, скорее в данный момент находитесь, открытие радиоактивности сыграло весьма большую роль в истории. В цивилизациях технологического типа и агрессивного подтипа, все время занимающихся превращением носителей разума в прах и пепел, а как минимум — в удобрение, все естественнонаучные открытия, и физические, и химические, и биологические рано или поздно начинают служить этому великому делу. Но почему-то сложилось так, что именно радиоактивность оказалась наиболее эмоционально насыщенна для людей. Будем надеяться, что социопсихологи далекого будущего и другой планеты, разгребая кочергой сухие останки великой (по ее нескромной самооценке) земной цивилизации, поймут, почему так случилось. Химическое и биологическое оружие, которое разрабатывалось и разрабатывается, могут похоронить цивилизацию не столь театрально, но не менее надежно, чем бомба. Однако люди больше боятся того, чем их пугали, а не того, что от них всерьез прячут.

Да и гриб атомного взрыва много зрелищнее простой трубы печи Освенцима, простой ямы простого пересылочного лагеря «Вторая речка» под Владивостоком…

Радиоактивное излучение — это α-, β-, γ-частицы и нейтроны (n). Поток частиц любого сорта в смысле опасности полностью характеризуется спектром, зависимостью потока (частиц/м2с) от энергии. Степень опасности зависит от способности этих частиц проникать сквозь преграды, отделяющие источник от человека и от способности повреждать человека. Поэтому к радиоактивному излучению не относят, например, нейтрино, которые человека не повреждают. Для метрологии также важна проникающая способность, поскольку активная, «чувствующая» часть датчика во многих случаях чем-то, например, корпусом прибора, отделена от «среды». Реально важно только то, что α-излучение поглощается слоем воздуха толщиной несколько сантиметров, слоем воды толщиной около 0,1 мм или листом бумаги, а β-излучение — слоем алюминия в несколько миллиметров.