Determination of physico-mechanical parameters of soil extract by the method of impedance eddy current probing

Keywords: electromagnetic probing, technogenic pollution, electrical conductivity, phase analysis, ecological monitoring, soil degradation, heavy metals, medium acidity

Abstract

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 effective geometric parameter of the probing zone, specific electrical conductivity, and temperature of the liquid phase, using a transformer-type impedance eddy current transducer (IEC) with a longitudinal electromagnetic field 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 field 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 specific electrical conductivity σₜ, temperature t, geometric parameter of the probing zone aеф, equivalent concentration of heavy metals Cme, and pH (accounting for the temperature coefficient α = 0.0132 1 / °C and calibration coefficients 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 reflects the combined influence 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 confirmed 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 buffer 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 effective 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 efficiency, and further development of multiparametric impedance systems in agroecology

References

1. ДСТУ ISO 14001:2015. Системи екологічного управління. Вимоги та настанови щодо застосування. [Чинний від 21.12.2015]. Офіц. вид. Київ : ДП «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості», 2016. 37 с. (Інформація та документація).
2. Волошина Н.О. Загальна екологія та неоекологія: навч. посіб. / нац. пед. ун-т. Київ: НПУ ім. М.П. Драгоманова, 2015. 335 с.
3. Sun F., He B., Han P. Assessment and modelling of soil moisture content in silty loess using electrochemical impedance spectroscopy. CATENA. 2025. № 259. P. 109408. https://doi.org/10.1016/j.catena.2025.109408
4. Shuquan P., Fan W., Ling F. Study on Electrochemical Impedance Response of Sulfate Saline Soil. International Journal of Electrochemical Science. 2019. № 14(9). P. 8611–8623. https://doi.org/10.20964/2019.09.30
5. Ma M., Fang L., Zhao N., Ma X. Detection of Cadmium and Lead Heavy Metals in Soil Samples by Portable Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Chemosensors. 2024. № 12(3). P. 40. https://doi.org/10.3390/chemosensors12030040
6. Cao X., Li Z., Yao S. Analysis on the Phase Frequency Characteristic of Soil Impedance. Energy and Power Engineering. 2018. № 10(04). P. 17–24. https://doi.org/10.4236/epe.2018.104b003
7. Abbas Y., van Smeden L., Verschueren A. R. M., Zevenbergen M. A. G., Oudenhoven J. F. M. Modeling Electrochemical Impedance Spectroscopy Using Time-Dependent Finite Element Method. Sensors. 2024. № 24(22). P. 7264. https://doi.org/10.3390/s24227264
8. Muhammad M., Almushfi S. Dielectric Analysis Model for Measurement of Soil Moisture Water Content Using Electrical Capacitance Volume Tomography. Modern Applications of Electrostatics and Dielectrics. 2020. № 138. https://doi.org/10.5772/intechopen.89057
9. Singha R., Singha S., Ruben V. M., Haokip A. D. Advances in Sensor Technologies for Detecting Soil Pollution. Sensors for Environmental Monitoring, Identification, and Assessment. 2024. P. 218–230. https://doi.org/10.4018/979-8-3693-1930-7.ch014
10. Song R., Zhang M. Design and Performance Evaluation of an In Situ Online Soil Electrical Conductivity Sensor Prototype Based on the High-Performance Integrated Chip AD5941. Applied Sciences. 2024. № 14(17). P. 7788. https://doi.org/10.3390/app14177788
11. Ma X., Bifano L., Fischerauer G. Evaluation of Electrical Impedance Spectra by Long Short-Term Memory to Estimate Nitrate Concentrations in Soil. Sensors. 2023. № 23(4). P. 2172. https://doi.org/10.3390/s23042172
12. Kunakh O. M., Yorkina N. V., Zhukov O. V., Turovtseva N. M., Bredikhina Y. L., Logvina-Byk T. A. Recreation and terrain effect on the spatial variation of the apparent soil electrical conductivity in an urban park. Biosystems Diversity. 2020. № 28(1). P. 3–8. https://doi.org/10.15421/012001
13. Посудін Ю. І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища: підручник / Ю.І. Посудін. – К. : Світ, 2003. 285 с.
14. Походило Є.В., Мартинович Н.В. Вимірювання твердості води імпедансним методом за частотою тестового сигналу. Львів: "Львівська політехніка", 2011. С. 65–69.
15. Походило Є. В., Плахтій Н. Л., Мартинович Н. В. Інваріантні кондуктометричні вимірювальні перетворювачі. Національний університет "Львівська політехніка". Вимірювальна техніка та метрологія. Львів, 2010. C. 83‒87.
16. Кофанова О. В., Борисов О. О. Потенціометрія, кондуктометрія і рефрактометрія як методи експрес-контролю якості ґрунтів і поверхневих вод у зонах відпочинку людей. Науковий вісник Таврійського державного агротехнологічного університету (ТДАТУ). Т.1. № 9, 2019. С. 1‒18.
17. Юрченко, О. І., Черножук, Т. В., Кравченко, О. А., Бакланов, О. М. (2023). Атомно–абсорбційне та рентгенофлуоресцентне визначення хрому та кобальту в фармацевтичних препаратах. Journal of Chemistry and Technologies. 2023. № 31(1). С. 37–43. https://doi.org/10.15421/jchemtech.v31i1.238921
18. Zhou D., Wang J., He Y., Chen D., Li K. Influence of metallic shields on pulsed eddy current sensor for ferromagnetic materials defect detection. Sensors and Actuators A: Physical. 2016. № 248. P. 162–172. https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.07.029
19. Yong Lia, Bei Yana Wenjia, Lia Haoqing Jinga, Zhenmao Chena DaLib. Pulse-modulation eddy current probes for imaging of external corrosion in nonmagnetic pipes. NDT & E International. 2017. № 88. P. 51–58.
20. Redka M. O., Kuts Yu. V., Levchenko O. E., Bliznyuk, O. D. Method to detect signals of eddy current flaw detection with small computer resource capacity. Технічна діагностика та неруйнівний контроль. 2020. № 2. С. 22–25. https://doi.org/10.37434/tdnk2020.02.03
21. Kuts Yu. V., Uchanin V. M., Lysenko Yu. Yu., Petryk V. F., Levchenko O. E., Bogdan, G. A. Application of Hilbert transform for analysis of signals of automated eddy current inspection. Part 2. Deriving secondary diagnostic features and examples of realization. Технічна діагностика та неруйнівний контроль. 2021. № 4. С. 11–18. https://doi.org/10.37434/tdnk2021.04.01
22. Себко В.В., Пироженко Є.В., Бабенко В.М. Індуктивний параметричний вихорострумовий перетворювач (ІПВП) для вимірювань електричних та температурних параметрів стічних вод пивоварного виробництва. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Хімія, хімічна технологія та екологія. Харків: НТУ «ХПІ», 2021. № 2 (6). С. 26-34. https://doi.org/10.20998/2079-0821.2021.02.05
Published
2026-05-06
Section
MELIORATION, ARABLE FARMING, HORTICULTURE