Brunnen-Logging-Sonde auf STM32F401 für Brunnen

Universelle Bohrlochsonde auf Basis des STM32F401

Der STM32F401 auf einem Black-Pill-Board dient als Kern einer Bohrlochsonde für Wasserbrunnen. Seine 84 MHz Taktfrequenz und der Cortex-M4 mit FPU ermöglichen schnelle Gleitkommaoperationen für die Filterung. Mit 64 KB RAM und 256 KB Flash bietet er ausreichend Kapazität für die Aufgaben. Drei Timer, drei USARTs, I2C und OneWire sind die zentralen Schnittstellen. Das Board passt in ein Gehäuse aus Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 38 mm (Innendurchmesser 32 mm), das für Brunnen mit Mantelrohren ab 114 mm ausgelegt ist.

Pin-Belegung:

• PA4: Eingang für Widerstandsmessgerät
• PB3: Eingang für Gammazähler (flankengesteuerter Interrupt)
• PB10: Stromversorgung für Widerstandsmessgerät
• PB7–PB4: Multiplexersteuerung für Widerstandsmessgenerator
• PB8 (SCL), PB9 (SDA): I2C für Sensoren
• PA2/PA3: UART2 für Ultraschallkaliber
• PA9/PA10: UART1 für Kaliber
• PA8: OneWire für Thermometer
• PA11/PA12: USB-Debugging

Die Gehäusegröße erschwert die Integration.

Bohrlochmessverfahren und ihre Umsetzung

Die Sonde kombiniert Gammamessung (GL), Widerstandsmessung (RL), Widerstandserfassung (RM), Thermometrie, Kalibermessung und Magnetometrie. Die Daten werden relativ zur Absenktiefe aufgezeichnet, mit Rauschfilterung und in Echtzeit an einen PC übertragen.

Gammamessung mit SiPM (Silizium-Photomultiplier): Impulse werden über Interrupts auf PB3 verarbeitet. SiPM wird gegenüber PMTs bevorzugt – es benötigt keine Hochspannung, ist kompakt und zuverlässig.

Widerstandsmessung (RL): Erzeugt ein 70 Hz-Signal über einen Multiplexer (PB7–PB4). Misst den Spannungsabfall an Stromelektroden (A/B) und Messelektroden (M/N). Das strombasierte Verfahren erkennt Mantelrohrlecks (Spitzen in Diagrammen) und dünne Schichten (z.B. 0,5 m Ton in Kalkstein). Schnelle Reaktion ohne Genauigkeitsverlust für die Hydrogeologie.

Widerstandserfassung (RM): Arbeitet während RL-Pausen (300 ms von einem 1 s-Zyklus). Eingang PA4, Stromversorgung PB10. Identifiziert Filtrationszonen (z.B. 60–80 m in einer Ø219 mm-Säule).

Thermometrie: DS18B20 über OneWire (PA8), abgefragt mit 1 Hz, Auflösung 0,01°C. Erkennt aktive Filtrationszonen.

Synchronisation und Datenerfassung

Zyklus: 700 ms für RL (Erzeugung + Messung), 300 ms für RM. Die Absenktiefe ist über alle Kanäle synchronisiert. Gamma über Interrupts, Thermometer periodisch. Daten mit Rauschfiltern werden an einen Logger und PC übertragen.

Beispielergebnisse:

• RM: Anomalie ab 80 m (offenes Bohrloch), Filtersäule 60–80 m.
• RL (blaue Linie): Spitzen zeigen Löcher oder Öffnungen im Mantelrohr an.

Wichtige Punkte:

• STM32F401 bietet eine gute Balance zwischen Leistung und Größe für kompakte Sonden.
• Kombinierte RL/RM in einem Zyklus vereinfacht die Tiefenkorrelation.
• SiPM für GL minimiert Größe und Risiken.
• Stromelektrodenmessung beschleunigt die Erkennung von Schichten und Mantelrohrdefekten.
• Echtzeiterfassung mit Filtern reduziert die Nachbearbeitung.

Zukünftige Entwicklungsaussichten

Die Integration von Kaliber (UART1), Ultraschallkaliber (UART2) und Videomessung verzögert sich aufgrund von Größenbeschränkungen. Magnetometer erkennt Filter und Rohre. Dreharbeiten für Elektroden und Sensorkalibrierung sind entscheidende Schritte. Gehäusefehler erforderten Iterationen.

— Editorial Team