Sistema de medici
´
on de presiones para calibraci
´
on
de sondas multiagujeros
Pressure measurement system for calibration of multi-hole probes
Fabio D. Marano, Pablo M. Aguilar, Nicol
´
as G. Coppolecchia and Pablo A. Caron
Universidad Tecnol
´
ogica Nacional, Facultad Regional Haedo, Grupo de Mec
´
anica de Fluidos (GMF)
Par
´
ıs 532, (B1706EAH) Haedo, Buenos Aires, Argentina
gmf-layf@frh.utn.edu.ar
Resumen—La medici
´
on de la velocidad es un punto
central en todo trabajo experimental de Mec
´
anica de Fluidos,
principalemente si se quiere analizar la estela detr
´
as de
objetos dentro de un t
´
unel de viento. Un tipo de instrumento
disponible es la sonda multiagujeros que infiere el vector
velocidad a partir de medir la distribuci
´
on de la presi
´
on en
el extremo de una punta especialmente dise
˜
nada. Este trabajo
describe el proceso de dise
˜
no, construcci
´
on y calibraci
´
on de
un sistema de adquisici
´
on de presiones para medir el vector
velocidad en un t
´
unel de viento subs
´
onico.
Palabras clave: Adquisici
´
on, Presi
´
on, Velocidad, T
´
unel
de viento.
Abstract— Velocity measurement is a central point in
all experimental work in Fluid Mechanics, especially if one
wants to analyze the wake behind objects inside a wind
tunnel. One type of instrument available is the multi-hole
probe that infers the velocity vector by measuring the pressure
distribution at the tip of a specially designed tip. This work
describes the design, construction and calibration process of
a pressure acquisition system to measure the velocity vector
in a subsonic wind tunnel.
Keywords: Acquisition, Pressure, Speed, Wind tunnel.
I. INTRODUCCI
´
ON
La velocidad es una de las magnitudes f
´
ısicas funda-
mentales en la Mec
´
anica de Fluidos, ya que describe el
movimiento de las part
´
ıculas. Determinar su magnitud y
direcci
´
on, ya sea te
´
orica o experimentalmente, es equivalente
a resolver un problema de fluidos [1].
Conocer y cuantificar experimentalmente la velocidad de
un fluido es crucial para analizar y predecir una amplia gama
de fen
´
omenos, desde medir la velocidad de una aeronave
hasta caracterizar la turbulencia de un determinado flujo.
Existen diferentes dispositivos que miden la velocidad en
un punto del seno del fluido, entre los que se encuentran
los tubos Pitot, anem
´
ometros por hilo caliente y sondas
multiagujeros, entre otros [2]. Cada uno utiliza un fen
´
omeno
f
´
ısico diferente para calcular la velocidad. En el presente
trabajo nos enfocamos en las sondas multiagujero, que
miden la distribuci
´
on de presi
´
on en la punta de la misma
y, a partir de esta, se obtiene el m
´
odulo y direcci
´
on de la
velocidad [3], [4]. Entre los dise
˜
nos disponibles, muchos
propietarios [5]–[7], sobresale la denominada Sonda Oxford,
cuyo dise
˜
no es libre y es la que se utiliz
´
o en el presente
trabajo [8].
Para que la sonda sea funcional se debe medir la presi
´
on
en distintos agujeros de la punta de la sonda de forma
precisa, preferentemente con un dispositivo electr
´
onico. Este
es el objetivo principal del presente trabajo, desarrollar
un sistema de medici
´
on de presiones que permita sensar
diferentes puntos de la presi
´
on y entregue los datos en
un formato que luego sean la entrada para el c
´
alculo de
la velocidad. Por otro lado, la sonda debe calibrarse y,
durante este proceso, el sistema de medici
´
on debe funcionar
sincr
´
onicamente con un sistema de posicionamiento que
var
´
ıa la incidencia del flujo (
´
angulos de cabeceo, Alfa, y
gui
˜
nada, Beta) respecto a la sonda [9], [10].
El desarrollo descripto en el presente documento forma
parte de una de las etapas del proyecto de investigaci
´
on
y desarrollo Desarrollo de un sistema de medici
´
on de
velocidad tridimensional para t
´
unel de viento subs
´
onico
(PID AMPPHA0010086) [11], financiado por la Universidad
Tecnol
´
ogica Nacional – SCyT y Facultad Regional Haedo.
II. ANTECEDENTES
El Grupo de Mec
´
anica de Fluidos de la Universidad
Tecnol
´
ogica Nacional – Facultad Regional Haedo cuenta con
cuatro t
´
uneles de viento dedicados a la ense
˜
nanza y a la
investigaci
´
on. Para medir la presi
´
on en distintos puntos de
los modelos o de los t
´
uneles se disponen de man
´
omentros de
columna de agua y un sistema de adquisici
´
on de presiones,
todos de uso acad
´
emico. Por otro lado, la velocidad se puede
medir usando tubos Pitot y/o sondas multiagujero. Estos
dise
˜
nos previos ya fueron presentados en [12] y se tomaron
como base del presente trabajo.
III. DESARROLLO
Los sistemas de medici
´
on de presi
´
on para t
´
uneles de vien-
to se componen de m
´
ultiples canales, cada uno equipado con
un transductor de presi
´
on. Estos transductores convierten las
variaciones de presi
´
on en se
˜
nales el
´
ectricas, las cuales son
acondicionadas y digitalizadas para su posterior procesa-
miento. Un sistema de control gestiona la adquisici
´
on de
datos y permite la medici
´
on simult
´
anea de la presi
´
on en
diversos puntos del flujo.
En este trabajo se presenta el dise
˜
no y construcci
´
on de un
sistema modular. La modularidad del sistema se ha conce-
bido para ofrecer una gran flexibilidad en su configuraci
´
on,
permitiendo adaptar el dispositivo a una amplia variedad
de aplicaciones. Se plantea una etapa de adquisici
´
on de
Recibido: 12/11/24; Aceptado: 04/02/25
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.9.1.207.2025
Technical Report
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ISSN 2525-0159
10
datos, compuesta por sensores intercambiables que facilita
la integraci
´
on de transductores con distintas precisiones y
rangos de medici
´
on. A su vez, la etapa de procesamiento y
control permite seleccionar el hardware m
´
as adecuado para
cada aplicaci
´
on espec
´
ıfica. El sistema se encuentra bajo el
control de un software de PC desarrollado a medida, que
proporciona una interfaz gr
´
afica intuitiva para la configura-
ci
´
on, adquisici
´
on y an
´
alisis de los datos.
III-A. Arquitectura del sistema
La arquitectura del sistema se basa en una estructura
modular compuesta por tres etapas principales. La etapa de
adquisici
´
on utiliza transductores de membrana para convertir
las variaciones de presi
´
on en se
˜
nales el
´
ectricas. Estas se
˜
nales
son acondicionadas mediante circuitos espec
´
ıficos recomen-
dados por el fabricante [13]. La etapa de procesamiento se
encarga de digitalizar las se
˜
nales acondicionadas y realizar
c
´
alculos adicionales, mientras que la etapa de visualizaci
´
on
presenta los resultados en una interfaz de usuario en PC.
Fig. 1: Arquitectura del sistema. Diagrama en bloques.
Se tom
´
o la decisi
´
on de incorporar en esta etapa el m
´
odulo
de conversi
´
on anal
´
ogico-digital y que la interfaz entre los
sensores y el procesamiento de datos sea a trav
´
es de un bus
I2C [14].
Esto nos dio la posibilidad de resolver el sector anal
´
ogico
del circuito en una superficie reducida minimizando la
longitud de las conexiones de salida del sensor al conversor
y de esa manera disminuir el ruido que podr
´
ıa interferir en
ese punto.
Esto es algo que debe tenerse en cuenta debido que
los t
´
uneles de viento cuentan con ventiladores axiales o
centr
´
ıfugos controlados por variadores de frecuencia que
imponen un ambiente el
´
ectricamente ruidoso.
La etapa de procesamiento est
´
a conformada por un mi-
crocontrolador Cortex-M4 de la familia STM32F4 [15], una
fuente de alimentaci
´
on de bajo ripple de salida, un puerto de
conexi
´
on a la unidad de adquisici
´
on y un puerto de conexi
´
on
a una computadora personal (PC).
Cada etapa se mont
´
o en gabinetes separados que nos per-
mitieron respetar la modularidad planteada. De esta forma
quedar
´
ıa definida una unidad de adquisici
´
on con sensores,
con la libertad de cambiar en funci
´
on de los valores a medir,
una unidad de procesamiento, que tambi
´
en puede cambiar
y/o migrar a otra tecnolog
´
ıa en funci
´
on de la evoluci
´
on de
las placas de adquisici
´
on disponibles y un software de PC
desarrollado en lenguaje Python.
III-B. Selecci
´
on de Sensor
Se opt
´
o por el sensor MPXV5004DP de NXP debido a
que su rango de presi
´
on operativa (0-3.92 kPa) y precisi
´
on
del 1.5 % se ajustan perfectamente a los requerimientos de
la aplicaci
´
on. Esta elecci
´
on garantiza una medici
´
on precisa
y confiable dentro del rango de inter
´
es, sin comprometer
la resoluci
´
on ni exceder los l
´
ımites de error permitidos
Este tipo de sensores genera una tensi
´
on proporcional a la
diferencia de presi
´
on medida en una membrana piezoresis-
tiva. La funci
´
on transferencia que relaciona la tensi
´
on de
salida V
out
con la diferencia de presi
´
on P se muestra en la
Fig. 2 [13].
Fig. 2: Funci
´
on transferencia del sensor elegido [13].
Para calcular el valor de presi
´
on en funci
´
on de la tensi
´
on
de salida (V
out
) debemos despejar de la transferencia la
presi
´
on (P ) dando lugar a la Ecuaci
´
on 1:
P =
V
out
0,2V
S
− 1 (1)
Con el objetivo de mejorar la precisi
´
on del sistema de
adquisici
´
on de datos y minimizar los errores sistem
´
aticos,
se procedi
´
o a medir tanto la tensi
´
on de alimentaci
´
on su-
ministrada (V
S
) a los sensores como la se
˜
nal de salida
correspondiente a cada medici
´
on (V
out
). Esta informaci
´
on
permiti
´
o establecer una relaci
´
on precisa entre la se
˜
nal de
salida del sensor y la magnitud f
´
ısica medida, mejorando
as
´
ı la confiabilidad de los resultados.
A la salida de cada sensor se incorpora un circuito de
adaptaci
´
on de se
˜
nal compuesto por un filtro pasa bajos
de primer orden para eliminar componentes de se
˜
nal por
arriba de la frecuencia de l
´
ınea (50 Hz) y un amplificador
operacional utilizado como buffer para adaptar el nivel de
se
˜
nal a los requerimientos del conversor anal
´
ogico-digital.
La etapa de adaptaci
´
on de se
˜
nal se bas
´
o en el circuito
recomendado por el fabricante del sensor como se ve en
la Fig. 3.
Fig. 3: Circuito de aplicaci
´
on recomendado para el sensor.
III-C. Selecci
´
on de Conversor Anal
´
ogico-Digital (ADC)
Como criterio de elecci
´
on cambiar a selecci
´
on se analiz
´
o
disponibilidad, resoluci
´
on, velocidad, cantidad de canales e
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interfaz de comunicaci
´
on. Se eligi
´
o el ADS1115 de Texas
Instruments que tiene las siguientes caracter
´
ısticas [16]:
Sigma-Delta de 16bits
4 canales
860 muestras por segundo
Amplificador de ganancia programable (PGA) configu-
rable por software
Referencia de tensi
´
on interna
Comunicaci
´
on I2C
El PGA permite configurar el valor de fondo de escala
con el que vamos a trabajar y esto define el m
´
ınimo valor
de tensi
´
on por cuenta de conversor. Al trabajar con 4,096 V
el valor del bit menos significativo (LSB) ser
´
a de 125 µV.
Esto representa 0,125 Pa para la transferencia del sensor
elegido, si el margen de error los permitiera. Se define una
tensi
´
on de bus I2C de 3,3 V para conectar a dispositivos ad-
quisidores, aunque la alimentaci
´
on principal de cada sensor
es 5 V. Teniendo en cuenta que el conversor tiene 4 entradas
anal
´
ogicas y una entrada de direccionamiento que permite
4 dispositivos por bus I2C, se opt
´
o por dise
˜
nar el sistema
como muestra el esquema de la Fig. 4.
Fig. 4: Etapa de adquisici
´
on y procesamiento.
De esta manera tenemos 3 sensores y una referencia de
alimentaci
´
on por cada conversor anal
´
ogico-digital generando
un m
´
aximo 12 tomas de presi
´
on por cada puerto I2C.
III-D. Dise
˜
no y Construcci
´
on del Circuito Impreso
Las sondas multiagujeros pueden tener 2, 3, 5 o 7 tomas
de presi
´
on. Para definir una carta de calibraci
´
on adem
´
as
necesitamos vincular estos datos de presi
´
on tomados por
la sonda con valores de presi
´
on est
´
atica y presi
´
on total en
el t
´
unel de calibraci
´
on. Con lo cual el n
´
umero m
´
ınimo de
canales ser
´
a de 9 entradas para cubrir todos los tipos de
sondas que pueden usarse. Para la unidad de adquisici
´
on se
plante
´
o el dise
˜
no de una Placa de Circuito Impreso (PCB,
por sus siglas en ingl
´
es) que contenga 3 sensores, un ADC
y la medici
´
on de referencia de alimentaci
´
on.
Se dej
´
o la configuraci
´
on de la direcci
´
on del ADC con
resistores de 0 Ω en formato de puente a cuatro potenciales
diferentes. De esta forma podemos interconectar 12 sensores
con 4 cuatro circuitos impresos iguales, pero con una
direcci
´
on de bus configurable por hardware como muestra
la Fig. 5.
Fig. 5: Circuito de direccionamiento del conversor anal
´
ogico-
digital.
Se dise
˜
n
´
o el circuito impreso con el software Altium
Designer usando un stack doble faz con agujeros meta-
lizados. Los componentes se adoptaron en c
´
apsulas de
montaje superficial debido a que nos permiten realizar una
distribuci
´
on compacta y trazado corto.
Fig. 6: Vista del circuito impreso.
Se sectoriz
´
o el circuito impreso de forma tal que queden
separadas las secciones anal
´
ogica, digital y alimentaci
´
on
(ver Fig. 7 y de esa manera evitar que el ruido generado
por los componentes digitales afecte a las se
˜
nales anal
´
ogicas
sensibles [17].
El circuito impreso se fabric
´
o a trav
´
es de la firma PCB-
Way [18] en China y se ensambl
´
o utilizando una estaci
´
on
de soldadura Pace ST-25 [19].
III-E. Unidad de Procesamiento
El dispositivo de procesamiento de datos est
´
a conformado
por una placa Nucleo-F401 [20] que contiene un micro-
controlador Cortex-M4 de 84 MHz y conexi
´
on a PC. Se
incorpor
´
o una fuente de alimentaci
´
on Mean Well RS-15-
5 [21] con una salida de 5 V DC, 80 mV
p-p
de ripple para
energizar el rack de sensores y la unidad de procesamiento.
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Fig. 7: Separaci
´
on de etapas.
Fig. 8: Circuitos impresos ensamblados e interconectados.
III-F. Firmware
La unidad de procesamiento est
´
a encargada de recibir
comandos desde la PC con el objetivo de parametrizar las
caracter
´
ısticas de la medici
´
on, iniciar y detener la adquisi-
ci
´
on de datos. Se desarroll
´
o un firmware ad hoc para el uso
del ADC por I2C en lenguaje C, implementando adem
´
as,
una aplicaci
´
on que permite recibir comandos por el puerto
serie y devolver los valores medidos, facilitando as
´
ı su
empleo para el usuario final. El firmware est
´
a basado en una
m
´
aquina de estados finitos que accede al hardware utilizando
la librer
´
ıa provista por el fabricante del semiconductor [22].
Se escribi
´
o un controlador para el manejo del conversor
anal
´
ogico-digital teniendo en cuenta las necesidades de
configuraci
´
on y funcionamiento de la aplicaci
´
on. Para de-
sarrollar este software se utiliz
´
o el entorno STM32Cube
IDE [23] por simplicidad y corto tiempo de desarrollo en
funci
´
on de la capacidad de los integrantes del laboratorio,
pero podr
´
ıa haberse utilizado cualquier dispositivo con I2C.
Fig. 9: Placa Nucleo-F401.
Por ejemplo, Arduino.
III-G. Dise
˜
no de Gabinetes
Se dise
˜
no un gabinete para la unidad de adquisici
´
on y otro
para la unidad de procesamiento utilizando la plataforma de
dise
˜
no mec
´
anico en la nube OnShape [24]. El dise
˜
no se
pens
´
o para poder fabricar ambos gabinetes con impresi
´
on
3D.
Fig. 10: Gabinete Unidad de adquisici
´
on.
Fig. 11: Gabinete Unidad de procesamiento.
III-H. Software para PC
Se desarroll
´
o un software en Python que permite operar
la placa de adquisici
´
on y guardar los datos en archivos
para su post procesamiento. Este software tiene dos tipos
de funcionamiento. El primero permite adquirir datos para
post procesarlos de manera que se pueda seleccionar el o los
sensores para operar, definir la cantidad de muestras a tomar
por sensor, y administrar el comienzo y fin de la medici
´
on.
El segundo modo permite visualizar las presiones en tiempo
real en forma de columnas verticales para hacer un an
´
alisis
r
´
apido y cualitativo de los fen
´
omenos.
IV. PRUEBAS Y ENSAYOS
IV-A. Prueba est
´
atica del dise
˜
no electr
´
onico
Como primera medida de prueba, luego del proceso de
armado, se energiz
´
o cada circuito impreso con una fuente
de alimentaci
´
on de laboratorio y se midi
´
o tensi
´
on y corriente
en puntos fundamentales para el correcto funcionamiento.
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Fig. 12: Software de visualizaci
´
on en tiempo real.
IV-B. Ensayo de t
´
unel de viento
En segundo lugar, realizaron mediciones en uno de los
t
´
uneles de viento con los que cuenta el laboratorio y se
compararon los valores obtenidos con el man
´
omentro de
mano Fluke 922 que se utiliza como referencia en cada ensa-
yo [25]. Se realiz
´
o una comparaci
´
on de los datos procesados
de las presiones obtenidas por el m
´
odulo de medici
´
on y los
valores de presi
´
on del instrumento de referencia. Para esto
se generaron dos an
´
alisis complementarios:
Tablas con los datos de cada canal de presi
´
on con
su estimado e incertidumbre en Pascales y en forma
porcentual, el valor estimado del Fluke 922 y la dife-
rencia entre estos instrumentos en Pascales y en forma
porcentual absoluta.
Gr
´
afico con la comparaci
´
on entre los valores del Fluke
922 y los obtenidos por cada toma de presi
´
on junto
con la curva de regresi
´
on lineal para determinar el
paralelismo de lectura entre ambos.
Tabla I: Comparaci
´
on de presi
´
on con Fluke 922
Fluke 922 Toma 1 presi
´
on Comparaci
´
on
Valor Valor Incert Diferencia Diferencia
estimado estimado rel
[Pa] [Pa] [%] [Pa] [%]
-801 -795.6 1.52 5.42 0.68
-601 -602.1 1.56 -1.06 0.18
-501 -501.4 1.59 -0.37 0.07
-401 -401.9 1.6 -0.82 0.2
-301 -301.7 1.56 -0.65 0.22
-201 -199.3 1.55 1.69 0.84
-100 -100.1 1.73 -0.16 0.16
-50 -50.4 1.85 -0.34 0.68
Este an
´
alisis se realiz
´
o por cada sensor del m
´
odulo de
adquisici
´
on de presiones.
El an
´
alisis arroj
´
o una diferencia porcentual de sus valores
con respecto al Fluke 922 menor al 3 %. Los valores de
incertidumbre obtenidos en todas las tomas se mantuvieron
por debajo del 2 % promedio, por lo que el instrumento pre-
senta valores muy bajos de incertidumbre en las mediciones.
IV-C. Comparaci
´
on con carta de calibraci
´
on existente
Se realizaron procesos de calibraci
´
on utilizando la sonda
multiagujero existente en las instalaciones del Laboratorio
de Aerodin
´
amica y Fluidos de UTN FRH y se compara-
ron las cartas obtenidas, encontrando curvas y variaciones
compatibles con ensayos existentes [12]. En la Fig. 14 se
Fig. 13: Paralelismo de lectura.
aprecia la carta de calibraci
´
on asociada al coeficiente de
presi
´
on total.
Fig. 14: Carta de Calibraci
´
on – Coeficiente Presi
´
on total en funci
´
on
de Alfa y Beta.
IV-D. Calibraci
´
on en Laboratorio certificado
El sistema de adquisici
´
on se contrast
´
o en el laboratorio
de Testo Argentina [26] utilizando dos patrones [27] y un
protocolo de calibraci
´
on certificado por INTI en el rango
5 Pa a 1000 Pa. La incertidumbre de medici
´
on fue evaluada
de acuerdo al procedimiento descripto en la norma IRAM
35050 [28]. Los resultados se muestran en las Tablas II y III.
Tabla II: Tabla de calibraci
´
on ascendente con valores medidos,
correcci
´
on e incertidumbre
Punto Valor] Correcci
´
on Incertidumbre
Calibraci
´
on Medido
[Pa] [Pa] [Pa] [Pa]
0 -0.2 0.2 0.7
5 4.9 0.1 0.7
15 14.8 0.2 0.7
25 24.5 0.5 0.7
50 50.5 -0.5 0.9
100 99.9 0.1 0.7
200 199.0 0.6 3.7
300 297.9 0.5 2.0
400 398.3 1.7 3.2
500 497.6 1.1 2.0
1000 994.8 3.6 2.0
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ISSN 2525-0159
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Tabla III: Tabla de calibraci
´
on descendente con valores medidos,
correcci
´
on e incertidumbre
Punto Valor] Correcci
´
on Incertidumbre
Calibraci
´
on Medido
[Pa] [Pa] [Pa] [Pa]
1000 994.1 4.2 2.0
500 497.4 2.3 2.0
400 395.5 2.9 3.2
300 297.7 1.9 2.0
200 195.8 3.9 3.7
100 100.0 0.0 0.7
50 49.8 0.2 0.9
25 24.7 0.3 0.7
15 14.8 0.2 0.7
10 4.6 0.4 0.7
5 -0.2 0.2 0.7
V. CONCLUSIONES
En este trabajo se dise
˜
na y construye un dispositivo de
adquisici
´
on de presiones cuyo uso est
´
a orientado a procesos
de calibraci
´
on de sondas multiagujeros. Se pudo integrar
distintas disciplinas como el dise
˜
no y fabricaci
´
on de dispo-
sitivos electr
´
onicos, el desarrollo de firmware y software de
alto nivel. Se incorpor
´
o la capacidad de dise
˜
no mec
´
anico
orientado a impresi
´
on en 3D. Se realizaron comparaciones
por medio de ensayos en t
´
unel de viento, obteniendo valores
satisfactorios de presi
´
on en los rangos necesarios con un
error aceptable para la aplicaci
´
on. Se calibr
´
o en un labora-
torio certificado bajo norma logrando valores de correcci
´
on
e incertidumbre bajos.
Podemos concluir que el dispositivo es apto para realizar
las tareas de medici
´
on en el proyecto “Desarrollo de un
sistema de medici
´
on de velocidad tridimensional para t
´
unel
de viento subs
´
onico (PID AMPPHA0010086)” [11].
VI. TRABAJOS A FUTURO
Se llevar
´
an adelante las siguientes etapas del proceso de
calibraci
´
on con las nuevas sondas fabricadas por el personal
del Grupo de Mec
´
anica de Fluidos.
Se utilizar
´
a el estado del desarrollo existente para cons-
truir un dispositivo con mayor cantidad de tomas de presi
´
on
y de esa manera poder medir modelos a escala en t
´
unel de
viento.
VII. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Universidad Tecnol
´
ogica Na-
cional, por el financiamiento del Proyecto de Investigaci
´
on
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