Phân biệt đo trực tiếp và gián tiếp môi trường

Vì vậy, không nên hiểu “trực tiếp” đơn giản là đặt thiết bị tại hiện trường, còn “gián tiếp” là lấy mẫu về phòng thí nghiệm. Một thiết bị hiện trường vẫn có thể tham gia vào phép đo gián tiếp; ngược lại, một phép đo thực hiện trong phòng thí nghiệm vẫn có thể thuộc phương pháp trực tiếp. Yếu tố quyết định là mô hình xác định đại lượng đo, không phải địa điểm thực hiện.

Đo trực tiếp và gián tiếp khác nhau ở chuỗi xác định kết quả như thế nào?

Trong đo trực tiếp, đại lượng cần đo — measurand — được xác định trực tiếp từ chỉ thị của hệ thống đo, sau khi áp dụng hiệu chuẩn và các hiệu chính cần thiết. Không cần đo thêm những đại lượng khác rồi đưa chúng vào một phương trình để tính ra measurand.

Đo gián tiếp có thêm một tầng xác định. Giá trị của measurand được suy ra từ các đại lượng đầu vào (X_1, X_2, ... , X_n) theo một mô hình dạng:

Y = f(X₁, X₂, …, Xₙ)

Trong đó Y là đại lượng cần xác định, còn các X là những đại lượng được đo hoặc biết trước. Quan hệ toán học giữa chúng là thành phần thiết yếu của phép đo gián tiếp.

Sự khác biệt này phù hợp với cách phân loại trong đo lường học: phương pháp trực tiếp không đòi hỏi phép tính bổ sung dựa trên quan hệ hàm giữa measurand và các đại lượng thực tế được đo; phương pháp gián tiếp sử dụng các phép đo trực tiếp của những đại lượng khác có quan hệ đã biết với measurand.

Đo trực tiếp trong môi trường được thực hiện ra sao?

Một phép đo trực tiếp thường bắt đầu khi cảm biến hoặc hệ thống đo tương tác với đối tượng hoặc môi trường và tạo ra chỉ thị tương ứng với đại lượng cần xác định. Qua đặc tính hiệu chuẩn của thiết bị, chỉ thị này được quy về giá trị của measurand.

Ví dụ, khi hệ thống đo nhiệt độ không khí đã được hiệu chuẩn hiển thị 30,2 °C, nhiệt độ là chính đại lượng cần xác định. Người vận hành không phải đo hai hay ba đại lượng khác rồi sử dụng phương trình để tính ra 30,2 °C. Về cấu trúc đo lường, đây là phép đo trực tiếp.

Điều quan trọng là có xử lý tín hiệu hoặc hiệu chuẩn không đồng nghĩa với đo gián tiếp. Cảm biến hiện đại gần như luôn chuyển đổi một hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện, sau đó thiết bị xử lý tín hiệu để hiển thị đơn vị mong muốn. Một bảng hiệu chuẩn, đường cong hiệu chuẩn hay phép hiệu chính đối với đại lượng ảnh hưởng không tự động biến phép đo thành gián tiếp.

Chẳng hạn, nhiệt độ môi trường có thể ảnh hưởng đến đáp ứng của một hệ thống đo. Nếu thiết bị đo thêm nhiệt độ để hiệu chính ảnh hưởng này nhưng measurand vẫn được xác định trực tiếp từ hệ thống đo chính, phép đo vẫn có thể được xem là trực tiếp. Đại lượng bổ sung ở đây dùng để hiệu chính, không phải là các biến đầu vào dùng để tạo measurand bằng một quan hệ hàm thay thế.

Giới hạn của đo trực tiếp là nó đòi hỏi phải có nguyên lý và hệ thống đo phù hợp với đại lượng mục tiêu. Không phải đại lượng môi trường nào cũng thuận tiện hoặc có ý nghĩa để xác định theo cách này.

Đo gián tiếp xác định đại lượng môi trường như thế nào?

Đo gián tiếp được sử dụng khi đại lượng cần biết được xác định từ các đại lượng khác có quan hệ vật lý hoặc toán học với nó.

Một ví dụ dễ thấy là xác định lưu lượng thể tích qua tiết diện dòng khí. Trong trường hợp đơn giản:

Q = v × A

Trong đó:

·         Q là lưu lượng thể tích

·         v là vận tốc trung bình của dòng khí

·         A là diện tích tiết diện

Nếu vận tốc và kích thước tiết diện được đo trực tiếp rồi sử dụng để tính Q, lưu lượng được xác định theo phương pháp gián tiếp.

Tương tự, khi cần xác định tải lượng của một chất đi qua dòng thải trong một đơn vị thời gian, một mô hình đơn giản có thể sử dụng nồng độ C và lưu lượng Q:

L = C × Q

Ở đây tải lượng L không được thiết bị đọc trực tiếp. Nó được suy ra từ hai đại lượng đầu vào. Chất lượng của kết quả vì thế không chỉ phụ thuộc vào phép đo nồng độ hay lưu lượng riêng lẻ mà còn phụ thuộc vào việc các đại lượng đó có đại diện đúng cho cùng điều kiện, cùng khoảng thời gian và đúng mô hình tính toán hay không.

Đây cũng là lý do độ không đảm bảo của phép đo gián tiếp phải được xem xét theo toàn bộ mô hình. Nếu:

Y = f(X₁, X₂, …, Xₙ)

thì độ không đảm bảo của Y chịu ảnh hưởng của độ không đảm bảo ở các X, độ nhạy của Y đối với từng đầu vào, tương quan giữa các đầu vào nếu có và những giả định trong mô hình. Vì vậy, không thể đánh giá chất lượng phép đo gián tiếp chỉ bằng thông số của một cảm biến riêng lẻ.

Đo trực tiếp không đồng nghĩa với đo tại chỗ

Trong quan trắc môi trường, một nhầm lẫn phổ biến là ghép hai cặp khái niệm:

Đo trực tiếp = đo tại hiện trường

và

Đo gián tiếp = lấy mẫu rồi phân tích trong phòng thí nghiệm

Hai cách phân loại này không tương đương.

“Hiện trường hay phòng thí nghiệm” mô tả địa điểm và quy trình thực hiện, còn “trực tiếp hay gián tiếp” mô tả logic xác định giá trị của measurand.

Một trạm quan trắc tự động có thể liên tục ghi nhiều thông số tại hiện trường. Nếu một đại lượng mới sau đó được tính từ các thông số đã ghi bằng một mô hình, đại lượng mới đó vẫn được xác định gián tiếp dù toàn bộ dữ liệu được thu ngoài hiện trường.

Ngược lại, việc một mẫu được đưa vào phòng thí nghiệm không đủ để kết luận rằng kết quả là “đo gián tiếp”. Muốn phân loại chính xác phải xem đại lượng báo cáo được xác định như thế nào trong phương pháp đo cụ thể.

Cách phân biệt này đặc biệt quan trọng khi đọc quy trình quan trắc hoặc báo cáo kết quả. Các thuật ngữ đo tại chỗ, lấy mẫu, phân tích, đo liên tục, đo tự động, đo trực tiếp và đo gián tiếp mô tả những đặc điểm khác nhau và không nên dùng thay thế cho nhau.

Phương pháp nào phù hợp hơn trong quan trắc môi trường?

Không thể kết luận rằng đo trực tiếp luôn tốt hơn hoặc chính xác hơn đo gián tiếp chỉ dựa vào tên phương pháp. Việc lựa chọn phải bắt đầu từ đại lượng cần xác định và mục đích sử dụng kết quả.

Nếu có hệ thống đo phù hợp, đại lượng có thể được xác định trực tiếp với độ không đảm bảo đáp ứng yêu cầu và cần kết quả nhanh hoặc liên tục, phương pháp trực tiếp thường giúp chuỗi xử lý ngắn hơn.

Đo gián tiếp trở nên cần thiết khi đại lượng mục tiêu không thuận tiện để đo trực tiếp nhưng có thể xác định đáng tin cậy từ các đại lượng liên quan. Khi đó, chất lượng của mô hình đo quan trọng không kém chất lượng của các phép đo đầu vào.

Ba câu hỏi giúp phân loại một phương pháp rõ nhất là:

1.    Đại lượng cuối cùng cần báo cáo là gì?

2.    Thiết bị có xác định chính đại lượng đó hay chỉ đo những đại lượng liên quan?

3.    Có phải dùng một quan hệ hàm giữa các đại lượng đầu vào để tạo ra kết quả cuối cùng hay không?

Nếu câu trả lời cho câu hỏi thứ ba là có, và quan hệ đó dùng các đại lượng khác để suy ra measurand, phép đo mang bản chất gián tiếp. Nếu chỉ thị của hệ thống đo đã cung cấp giá trị của measurand và các phép tính bổ sung chỉ phục vụ hiệu chuẩn hoặc hiệu chính ảnh hưởng, đó không phải lý do đủ để xếp phép đo thành gián tiếp.

Đo trực tiếp và đo gián tiếp trong môi trường vì thế khác nhau chủ yếu ở con đường đi từ quan sát đến giá trị đại lượng cần đo. Đo trực tiếp lấy giá trị measurand từ hệ thống đo mà không phải suy ra nó bằng quan hệ hàm với các đại lượng khác. Đo gián tiếp kết hợp các phép đo đầu vào và một mô hình đã biết để tính measurand.

Khi đánh giá một phương pháp quan trắc, nên xác định rõ measurand, các đại lượng đầu vào, mô hình đo và độ không đảm bảo thay vì chỉ dựa vào việc thiết bị được đặt tại hiện trường hay mẫu được đưa vào phòng thí nghiệm. Cách tiếp cận này giúp phân loại đúng phương pháp và hiểu chính xác cơ sở tạo ra kết quả đo.