Escolher o sensor de nível certo evita alarmes falsos, acionamentos indevidos de bombas e estimativas ruins de estoque. Neste guia, comparamos ultrassônico, pressão hidrostática (transmissores 4–20 mA) e boias ON/OFF, com foco em aplicação predial/industrial leve (reservatórios, caixas d’água, poços de sucção).
Resumo comparativo
| Tecnologia | Princípio | Vantagens | Limitações | Aplicações típicas |
|---|---|---|---|---|
| Ultrassônico | Mede o tempo de voo do pulso até a superfície (distância → nível) | Sem contato com o fluido; manutenção baixa; bom para tanques limpos | Sensível a espuma, turbulência, condensação; zona morta (dead band); exige montagem correta | Reservatórios atmosféricos, caixas superiores, tanques com acesso superior |
| Pressão hidrostática | Pressão no fundo proporcional à coluna líquida (ρ·g·h) | Robusto; independe de espuma; funciona em poços/tanques fechados | Requer referência à atmosfera (respiro) ou compensação; sensível à densidade/temperatura | Poços de sucção, reservatórios enterrados, tanques com turbulência |
| Boias ON/OFF | Comutação mecânica por posição/nível | Baixo custo; simplicidade; ótima para intertravamentos básicos | Binário (sem valor contínuo); desgaste mecânico; suscetível a enroscos | Controle liga/desliga de bombas; alarmes alto/baixo; redundância de segurança |
Como escolher (guia rápido)
- Precisa de valor contínuo (tendência/KPIs)? Prefira ultrassônico ou pressão. Se há espuma/turbulência, pressão tende a ser mais estável.
- Apenas controle simples de bomba? Boias resolvem (com histerese no PLC). Use duas boias (liga/desliga) e, se possível, uma terceira para alto crítico.
- Tanque profundo/poço sem acesso superior limpo? Pressão submersível (ou selo no fundo).
- Ambiente com condensação no teto do tanque? Evite ultrassom ou adote aquecimento/defletor e stilling well.
- Compliance/segurança exige redundância? Combine um transmissor contínuo (ultrassom/pressão) + boia de alto nível independente.
Ultrassônico: boas práticas
- Montagem: posicione verticalmente, longe de chicanas e paredes para evitar ecos falsos; respeite a zona morta mínima do fabricante (distância mínima de medição).
- Condições do meio: espuma/turbulência causam leituras instáveis; um stilling well (tubo calha perfurado) estabiliza a superfície.
- Ambiente: condensação no transdutor suprime sinal; providencie ventilação/aquecimento leve ou defletores.
- Configuração: aplique mapeamento de ecos falsos (false echo mapping) e filtro de média/média móvel no gateway/PLC.
- Conversão: o sensor fornece distância; converta para nível com a geometria do tanque (h = H_total – distância) e, se necessário, volume (curva de linearização).
Pressão hidrostática: boas práticas
- Referência atmosférica: transmissores vented (com cabo respirado) compensam variações barométricas. Se usar célula selada, compense no PLC.
- Densidade/temperatura: a fórmula pressupõe densidade estável. Em água potável, a variação é pequena; em outros fluidos, adote coeficientes/compensação.
- Instalação: evite bolsões de ar; use pocket no fundo ou sensor submersível suspenso longe da sucção da bomba. Proteja contra sedimentação e golpes hidráulicos.
- Calibração: zere com tanque vazio (4 mA) e ajuste span com altura conhecida (20 mA). Documente a relação mA → nível.
- Linearização para volume: tanques cilíndricos horizontais exigem curva; aplique tabela de pontos ou polinômio no gateway/DB.
Boias ON/OFF: boas práticas
- Redundância: use pares (liga/desliga) com espaçamento suficiente para histerese hidráulica; adicione boia de alto crítico em circuito separado do PLC para segurança.
- Proteção mecânica: evite enrosco em tubulações; use guias/cabos inox e contrapesos.
- Elétrica: use entradas digitais com debounce e proteção; atenção à corrente de contato para cargas diretas.
- Manutenção: inspeção periódica por incrustação/fouling; substituição preventiva em ambientes agressivos.
Erros comuns (e como evitar)
- Ultrassom encostado no teto ou sem respeitar zona morta → saturação. Reposicione e reparametrize alcance.
- Pressão sem respiro (ou respiro obstruído) → drift com clima. Use cabo ventilado íntegro e filtros dessecantes.
- Boia como único elemento de segurança → risco. Inclua redundância e teste periódico de funcionamento.
- Sem histerese no controle → short cycling da bomba. Implemente janelas de liga/desliga no PLC.
- Conversão distância→nível errada no ultrassom (altura total incorreta) → indicação falsa. Meça a geometria, valide em campo.
Integração e telemetria (MQTT)
Padrão de tópicos sugerido para nível contínuo e alarmes:
// Nível contínuo (m)
org/acme/torreA/agua/reservatorio_sup/level_m
{"v":1,"ts":1730166000000,"value":3.28,"unit":"m"}
// Estado de boia (retido)
org/acme/torreA/agua/boia_alta/state
{"v":1,"ts":1730166010000,"value":"on"}
// Alarme (não retido)
org/acme/torreA/agua/events/high_high
{"v":1,"ts":1730166020000,"value":true}
- QoS: 1 por padrão; 0 apenas para streams efêmeros.
- Retained: somente em estados (boias,
.../gateway/status). Eventos não devem ser retidos. - Catálogo: mantenha unidade, limites e escala em catálogo de tags; mantenha payload enxuto.
Calibração e verificação
- Ponto zero: tanque vazio ou nível conhecido; registre mA/valor lido e ajuste offset.
- Ponto alto: altura medida (trena) ou régua de nível; ajuste span.
- Verificação cruzada: compare leitura do sensor com régua/boias nos extremos; documente erros.
- Estabilidade: avalie ruído (desvio padrão) em janela de 60–120 s; aplique filtro de média móvel no gateway.
KPIs e operação
- Tempo em faixas críticas (baixo, alto, alto-alto).
- Perfil diário de nível (mín/máx), ciclos/h de bomba e runtime.
- Alarmes recorrentes e tempo até atendimento (SLA operacional).
Checklist de comissionamento
- Confirme geometria do tanque (altura útil, forma) e posição do sensor.
- Aplique histerese e debounce no PLC/gateway.
- Valide tópicos MQTT, QoS, retained (apenas estados) e LWT do gateway.
- Teste falhas: boia travada, eco falso, respiro obstruído, perda de internet (store & forward).
- Registre curva de calibração e procedimento de manutenção (limpeza, inspeção de cabos/respiradores).
Conclusão: não existe “sensor universal”. Em tanques limpos e acesso superior, o ultrassônico é prático e sem contato; em poços turbulentos ou com espuma, a pressão oferece estabilidade; para controles binários e redundância, boias continuam imbatíveis. A decisão correta combina ambiente, necessidade de valor contínuo, manutenção e governança de dados.