O supervisor da estação de tratamento pergunta quanto de água tem no reservatório. A régua pintada na parede está ilegível, a boia emperrou de novo e o operador precisa subir na escada para conferir. Uma sonda submersa no fundo do tanque resolve esse problema com um princípio simples: quanto mais líquido existe acima dela, maior a pressão que ela sente. É isso que chamamos de medição de nível por pressão hidrostática.
O princípio é simples, mas três detalhes decidem se a leitura vai bater com a realidade: a densidade do líquido, a pressão atmosférica e a forma como a sonda está instalada. A seguir, a fórmula, um exemplo resolvido e os erros mais comuns em campo.
O que é pressão hidrostática
Pressão hidrostática é a pressão exercida por um líquido em repouso, causada pelo peso da coluna de líquido acima do ponto de medição. Na superfície ela é zero (em relação à atmosfera); a cada metro de profundidade, ela cresce na mesma proporção.
Uma barragem mostra isso bem: a parede é muito mais espessa na base do que no topo, porque é lá embaixo que a água empurra com mais força. Pelo mesmo motivo, se você furar um recipiente cheio em várias alturas, o jato do furo de baixo sai com mais velocidade, porque ali a pressão é maior.
Um ponto que confunde muita gente: a pressão no fundo depende só da altura da coluna e da densidade do líquido, e não do formato nem do volume do tanque. Um tubo estreito e um reservatório largo, ambos com 4 m de água, produzem a mesma pressão no fundo. Para a sonda, o que existe é altura; o volume vem depois, pela geometria do tanque.
A fórmula: P = ρ · g · h
P = ρ · g · h, ou seja, h = P / (ρ · g)
- P: pressão hidrostática, em pascal (Pa). 1 bar = 100.000 Pa.
- ρ (rô): densidade do líquido, em kg/m³. Água ≈ 1.000 kg/m³.
- g: aceleração da gravidade, 9,80665 m/s² (valor padrão).
- h: altura da coluna de líquido acima do sensor, em metros.
Para água, 1 m de coluna gera 1.000 × 9,80665 × 1 = 9.806,65 Pa, ou cerca de 98,07 mbar. Na prática de campo, guarde a regra inversa: 1 bar ≈ 10,2 m de coluna d'água (mca) e 1 mbar ≈ 1 cm de água. Para outras unidades, use a tabela de conversão de unidades de pressão.
Exemplo resolvido
Uma sonda de pressão relativa de 0…1 bar está apoiada a 0,15 m acima do fundo de um reservatório de água e indica 0,412 bar.
- Converta a pressão: 0,412 bar = 41.200 Pa.
- Calcule a coluna sobre o sensor: h = 41.200 / (1.000 × 9,80665) = 4,20 m.
- Some a cota de instalação da sonda: 4,20 + 0,15 = 4,35 m de nível medido a partir do fundo.
O passo 3 é esquecido com frequência. A sonda só mede o líquido que está acima dela; o que fica entre o sensor e o fundo precisa entrar como offset fixo, seja no CLP, seja na programação do transmissor.
Densidade: o erro que não aparece no visor
A sonda mede pressão, não altura. A conversão para metros depende da densidade, e se o líquido não for água limpa, a conta muda. Veja a mesma leitura de 0,412 bar em líquidos diferentes (densidades como exemplo):
| Líquido (exemplo) | Densidade | Nível para 0,412 bar |
|---|---|---|
| Água | 1.000 kg/m³ | 4,20 m |
| Óleo diesel | 840 kg/m³ | 5,00 m |
Configurar o sistema para água e instalar a sonda em um tanque de diesel significa errar 0,8 m. Em líquidos cuja densidade varia com a temperatura, a concentração ou a mistura (efluentes, salmouras, produtos químicos), o nível calculado varia junto. Se a densidade não for estável, considere essa incerteza no projeto ou meça-a periodicamente.
Sonda relativa com tubo de respiro ou sonda absoluta?
A superfície do líquido está sob a pressão atmosférica, e essa pressão também chega ao sensor no fundo. Ela não é constante: muda com o tempo e com a altitude. Como 1 mbar equivale a cerca de 1 cm de água, uma variação barométrica de 20 mbar (exemplo) se transforma em um erro de cerca de 20 cm se não for compensada. Há duas formas de resolver isso; a diferença entre os tipos de pressão está detalhada em pressão absoluta, manométrica e diferencial.
Sonda relativa (com capilar de referência no cabo)
O cabo leva um tubo capilar que liga a parte de trás do sensor à atmosfera. Assim, a sonda mede só a coluna de líquido, já descontada a pressão barométrica. É a solução mais direta para reservatórios abertos e poços. Na Série 36XW, a versão PR-36XW vem com cabo que incorpora esse capilar; na Série 26Y, a versão PR usa cabo de PE com capilar de referência integrado.
O cuidado está na ponta do cabo. Segundo o datasheet da 36XW, pode ocorrer condensação interna em dias quentes e úmidos quando a sonda está em água fria; se o cabo não terminar em local seco e quente, a KELLER recomenda um cartucho com sílica gel na extremidade do capilar. Capilar amassado, dobrado ou com água dentro é causa clássica de leitura que "deriva" sem explicação.
Sonda absoluta ou selada
A sonda absoluta tem o zero no vácuo e mede coluna de líquido + pressão atmosférica. Para obter o nível, é preciso subtrair a pressão barométrica medida por outro instrumento na superfície: h = (Pabs − Patm) / (ρ · g). É o caso da versão PAA-36XW. A versão PA da 26Y é selada, com zero fixo em 1.000 mbar abs: ela também não acompanha a variação barométrica, que passa a aparecer como erro de nível. Em ambas, a medição não depende de capilar de referência no cabo, e a compensação barométrica passa a ser responsabilidade do sistema. O data logger DCX-22, na versão totalmente submersível, segue a mesma lógica: usa sensor absoluto e, quando a variação barométrica influi na medição, o datasheet recomenda um segundo logger na superfície para registrar a pressão atmosférica. Já a versão VG, com cabo até uma caixa na superfície, é referenciada à atmosfera por capilar.
Como escolher a sonda para o seu nível
Comece pela altura máxima de líquido acima do sensor, com folga, e converta para pressão. Depois traduza a precisão de %FS para centímetros, que é o que interessa na operação.
| Item (datasheet KELLER) | Série 36XW | Série 26Y |
|---|---|---|
| Faixas padrão | 1, 3, 10 e 30 bar (≈ 10, 31, 102 e 306 mca); 100, 200 e 500 mbar com transmissor de 1 bar | 0,2 a 10 bar (2 a 100 m de coluna d'água) |
| Versões | PR (relativa, capilar no cabo) e PAA (absoluta) | PR (relativa, capilar no cabo) e PA (selada) |
| Saídas | RS485, 4…20 mA (2 fios) e 0…10 V (3 fios) | 4…20 mA (2 fios) e saídas em tensão (3 fios) |
| Margem de erro (0…50 °C) | 0,1 %FS digital; 0,15 %FS analógica | máx. ±0,5 %FS (2…10 bar); ±1,0 %FS (0,5…<2 bar); ±5 mbar (0,2…<0,5 bar) |
| Proteção / partes molhadas | IP68; aço inox 316L, Viton, PE | IP68; aço inox 316L, Viton, tampa em POM |
Exemplo de tradução: em uma 36XW de 1 bar com saída digital, 0,1 %FS equivale a 1 mbar, ou cerca de 1 cm de água. Para faixas de 100, 200 ou 500 mbar, o datasheet informa precisão de ±1 mbar (0…50 °C). Quando a aplicação pede nível de água com boa precisão e o orçamento pesa, a 26Y é a alternativa; quando o objetivo é a melhor exatidão, saída digital e ligação de vários transmissores em barramento RS485, a 36XW é o caminho. Para uma visão geral dos tipos de sonda, veja sondas de nível: o que é, para que serve e tipos.
Instalação e limites do método
- Não apoie a sonda na lama. Sedimento sobre a membrana altera a leitura. Deixe o sensor um pouco acima do fundo e registre essa cota como offset.
- Evite turbulência. Perto da entrada de água ou de agitadores, a pressão oscila. Um tubo de acalmação perfurado estabiliza a leitura e evita que a sonda balance.
- Cuide do cabo. Ele carrega o sinal e, na versão relativa, o capilar de referência. Evite dobras fortes e pontos de esmagamento na passagem pela tampa do poço ou do tanque.
- Tanque fechado e pressurizado não é tanque aberto. Se houver pressão acima do líquido, a sonda soma essa pressão à coluna. Nesse caso, a medição precisa ser diferencial (fundo menos topo).
- Espuma e camadas de outra densidade enganam. A espuma quase não pesa e praticamente não aparece na pressão. Uma camada de densidade diferente (óleo sobre água, por exemplo) entra na conta pela própria densidade, e o nível calculado não coincide com a superfície visível. Se o que importa é a superfície visível, o método pode não ser o ideal.
- Confira o meio. As partes molhadas são de aço inox 316L e Viton, além do cabo (PE na 36XW e na 26Y PR; PUR na 26Y PA) e da tampa de POM na 26Y; para líquidos agressivos, valide a compatibilidade química antes da compra.
Resumo
A medição de nível por pressão hidrostática converte pressão em altura pela fórmula h = P / (ρ · g). Para acertar o resultado, use a densidade real do líquido, some a cota de instalação da sonda e resolva a pressão atmosférica com capilar de referência (sonda relativa) ou com compensação barométrica (sonda absoluta). Com a sonda de nível e a faixa certas, a régua na parede vira um dado contínuo, pronto para o CLP ou para o supervisório.
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