Karotážní sonda na STM32F401 pro vrty

Univerzální sonda pro geofyzikální měření vrtů založená na STM32F401

STM32F401 na desce Black Pill je zvolen jako základ sondy pro geofyzikální měření vodních vrtů. Frekvence 84 MHz a Cortex-M4 s FPU zajišťují rychlé zpracování float operací pro filtry. Kapacita RAM 64 KB a Flash 256 KB je dostatečná pro úkoly. Tři časovače, tři USART, I2C a OneWire jsou klíčová rozhraní. Rozměry desky se vejdou do pouzdra z nerezové trubky Ø38 mm (vnitřní Ø32 mm) pro vrty s pažnicí od 114 mm.

Rozložení pinů:

• PA4: vstup rezistivimetru
• PB3: vstup gama čítače (přerušení podle hrany)
• PB10: napájení rezistivimetru
• PB7–PB4: řízení multiplexoru pro generátor KS
• PB8 (SCL), PB9 (SDA): I2C pro senzory
• PA2/PA3: UART2 pro UZK
• PA9/PA10: UART1 pro kavernometr
• PA8: OneWire pro teploměr
• PA11/PA12: USB ladění

Pouzdro omezuje velikost, což komplikuje integraci.

Metody geofyzikálního měření a jejich realizace

Sonda kombinuje gama karotáž (GK), elektrickou karotáž (KS), rezistivimetrii (RM), termometrii, kavernometrii a magnetometrii. Data se zaznamenávají vzhledem k hloubce spouštění s filtrací šumu a přenosem na PC v reálném čase.

Gama karotáž na SiPM (silikonový fotonásobič): impulsy přes přerušení na PB3. SiPM je vhodnější než FEV – nevyžaduje vysoké napětí, je kompaktní a spolehlivý.

Elektrická karotáž (KS): generování signálu 70 Hz přes multiplexor (PB7–PB4). Měření úbytku napětí na proudových elektrodách (A/B) a měřicích (M/N). Metoda na proudových elektrodách odhaluje netěsnosti pažnice (špičky na diagramech) a tenké vrstvy (např. jíl 0,5 m ve vápenci). Rychlá reakce bez ztráty přesnosti pro hydrogeologii.

Rezistivimetrie (RM): funguje v pauzách KS (300 ms z cyklu 1 s). Vstup PA4, napájení PB10. Odhaluje zóny filtrace (např. od 60–80 m v koloně Ø219 mm).

Termometrie: DS18B20 přes OneWire (PA8), dotazování 1 Hz, rozlišení 0,01°C. Zaznamenává zóny aktivní filtrace.

Synchronizace a záznam dat

Cyklus: 700 ms – KS (generování + měření), 300 ms – RM. Hloubka spouštění je synchronizována pro všechny kanály. Gama přes přerušení, teploměr periodicky. Data s filtry šumu se přenášejí na registrátor a PC.

Příklad výsledků:

• RM: anomálie od 80 m (otevřený vrt), filtrační kolona 60–80 m.
• KS (modrá čára): špičky ukazují díry/netěsnosti v pažnici.

Co je důležité:

• STM32F401 vyvažuje výkon a velikost pro kompaktní sondy.
• Kombinovaný KS/RM v jednom cyklu zjednodušuje vazbu podle hloubky.
• SiPM pro GK minimalizuje rozměry a rizika.
• Měření na proudových elektrodách urychluje detekci vrstev a vad pažnice.
• Reálná fixace s filtry snižuje následné zpracování.

Perspektivy vylepšení

Integrace kavernometru (UART1), UZK (UART2), videokarotáže je odložena kvůli velikosti. Magnetometr fixuje filtry a trubky. Soustružnické práce pro elektrody, kalibrace senzorů – klíčové etapy. Chyby s pouzdrem vyžadovaly iterace.

— Editorial Team