Визначення фізико-механічних параметрів ґрунтової витяжки методом імпедансного вихрострумового зондування

Abstract

Мета. Розробити та апробувати безконтактний трипараметровий імпедансний вихорострумовий метод сумісного контролю фізико-хімічних параметрів ґрунтових витяжок (співвідношення ґрунт–вода 1:5), зокрема ефективного геометричного параметра зони зондування, питомої електричної провідності та температури рідкої фази, за допомогою трансформаторного імпедансного вихорострумового перетворювача (ІВП) з поздовжнім електромагнітним полем кратних частот. Оцінити чутливість методу до змін електрофізичних властивостей ґрунтів у зонах техногенного навантаження, зокрема внаслідок бойових дій. Методи. Дослідження проведено за допомогою імпедансного вихорострумового перетворювача трансформаторного типу з двома ідентичними каналами (РП – для зондування та нагрівання зразка, ОП – для опорних вимірювань). Використано генератор змінного струму, частотомір, вольтметри, фазометр та нікелеві термометри опору. Зондування виконувалося на двох кратних частотах (f = 40 МГц) при струмі 20 мА та напруженості поля H₀ ≈ 280 А/м у температурному діапазоні 10–30 °C. Вимірювали сумарні ЕРС EΣ₁ₜ, EΣ₂ₜ, опорні ЕРС E₀₁, E₀₂, фазові кути зсуву φ₀₁ₜ, φ₀₂ₜ. Параметри розраховували за системою аналітичних співвідношень, що пов’язують амплітудні та фазові характеристики сигналів з питомою електропровідністю σₜ, температурою t, геометричним параметром зони зондування aеф, еквівалентною концентрацією важких металів C me та pH (з урахуванням температурного коефіцієнта α = 0,0132 1 / °С та калібрувальних коефіцієнтів моделі pH). Результати. Теоретичний аналіз показав, що фазова складова сигналу є більш чутливою до змін електрохімічних властивостей середовища, а амплітудна – до сумарного впливу провідності та температури. Застосування кратних частот дозволило розділити внесок контрольованих параметрів та зменшити їх взаємну кореляцію. Експериментально підтверджено високу чутливість методу до техногенних змін: у фонових ґрунтах значення σₜ, pH та Cme відповідали природним показникам слабокислого стану; у деградованих (після вибухів) спостерігалося різке зростання провідності (у 6–10 разів), зниження pH до сильнокислого рівня (1,5–3,7), підвищення Cme в 1,5 раза через мобілізацію важких металів (Fe, Cu, Zn, Pb) та руйнування буферної системи. Отримані значення добре корелюють з класичними електрохімічними методами, при цьому безконтактність усуває поляризаційні похибки та забезпечує стабільність в агресивних середовищах. Висновки. Запропонований трипараметровий імпедансний вихорострумовий метод є ефективним інструментом безконтактного комплексного контролю фізико-хімічного стану ґрунтових витяжок, що перевершує традиційні кондуктометричні та потенціометричні методи за оперативністю, стабільністю та можливістю роботи з агресивними пробами. Метод перспективний для екологічного моніторингу ґрунтів у зонах техногенного та мілітарного навантаження, оцінки ступеня деградації, контролю ефективності рекультиваційних заходів та подальшого розвитку багатопараметрових імпедансних систем у агроекології.

Purpose. To develop and test a non-contact triparametric impedance eddy current method for simultaneous monitoring of physico-chemical parameters of soil extracts (soil-to-water ratio 1:5), including the effctive geometric parameter of the probing zone, specifi electrical conductivity, and temperature of the liquid phase, using a transformer-type impedance eddy current transducer (IEC) with a longitudinal electromagnetic fild at multiple frequencies. To evaluate the method's sensitivity to changes in the electrophysical properties of soils in areas of technogenic load, particularly due to military actions. Methods. The study was conducted using a transformer-type impedance eddy current transducer with two identical channels (RP – for probing and heating the sample, OP – for reference measurements). An AC generator, frequency meter, voltmeters, phase meter, and nickel resistance thermometers were employed. Probing was performed at two multiple frequencies (f = 40 MHz) with a current of 20 mA and magnetic fild strength H₀ ≈ 280 A/m in the temperature range of 10–30 °C. Measured were the total EMFs EΣ₁ₜ, EΣ₂ₜ, reference EMFs E₀₁, E₀₂, and phase shift angles φ₀₁ₜ, φ₀₂ₜ. Parameters were calculated using a system of analytical relations linking the amplitude and phase characteristics of the signals to specifi electrical conductivity σₜ, temperature t, geometric parameter of the probing zone aеф, equivalent concentration of heavy metals Cme, and pH (accounting for the temperature coeffient α = 0.0132 1 / °C and calibration coeffients of the pH model). Results. Theoretical analysis showed that the phase component of the signal is more sensitive to changes in the electrochemical properties of the medium, while the amplitude component reflcts the combined inflence of conductivity and temperature. The use of multiple frequencies enabled separation of the contributions of the controlled parameters and reduction of their mutual correlation. Experimental results confimed the high sensitivity of the method to technogenic changes: in background soils, values of σₜ, pH, and Cme corresponded to natural indicators of a weakly acidic state; in degraded soils (post-explosions), a sharp increase in conductivity (6–10 times), a decrease in pH to a strongly acidic level (1.5–3.7), and an increase in Cme by 1.5 times were observed due to mobilization of heavy metals (Fe, Cu, Zn, Pb) and destruction of the buffr system. The obtained values correlate well with classical electrochemical methods, while the non-contact nature eliminates polarization errors and ensures stability in aggressive environments. Conclusions. The proposed triparametric impedance eddy current method is an effctive tool for non-contact comprehensive monitoring of the physico-chemical state of soil extracts, surpassing traditional conductometric and potentiometric methods in speed, stability, and capability to work with aggressive samples. The method is promising for ecological monitoring of soils in zones of technogenic and military load, assessment of degradation degree, control of reclamation measures effiency, and further development of multiparametric impedance systems in agroecology.