Визначення фізико-механічних параметрів ґрунтової витяжки методом імпедансного вихрострумового зондування

Анотація

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 Cme 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.