Um estudo sobre o circuito de detecção do efeito Seebeck no

VII Workshop de Iberchip – IWS´2001
Um estudo sobre o circuito de detecção do efeito Seebeck no anemômetro a efeito Peltier
1
C. E. Paghi, 2S. Güths
1
Laboratório de Circuitos Integrados - LCI
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
CEP 88 040-900 - Florianópolis - SC – Brasil
Email: [email protected]
2
Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas dos Materiais – LMPT
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
CEP 88 040-900 - Florianópolis - SC – Brasil
Email: [email protected]
Abstract
In this paper is proposed some modifications in the circuit for detection of Seebeck effect in a new
anemometer, called “Peltier anemometer”.
Firstly is presented a short introduction to the measurement principle. Before, the problems of the
original circuit are commented. Finally, two new circuits are proposed and simulation results are presented.
Resumo
Neste artigo propõe-se modificações para o circuito de detecção do sinal Seebeck no anemômetro a
efeito Peltier.
Primeiramente, uma breve introdução ao princípio de funcionamento é apresentada. Depois, os
problemas do circuito original de detecção [1] são comentados. Finalmente, dois novos circuitos são propostos e
resultados obtidos através de simulações são apresentados.
Introdução
Existem várias formas de medição de velocidade do ar. Uma das mais utilizadas, para integração, é a
baseada em fio quente, devido à facilidade de construção do sensor e da instrumentação necessária ao
funcionamento do dispositivo. No entanto, o anemômetro baseado em fio quente possui várias limitações,
geradas basicamente pela necessidade de aquecer o elemento sensor de forma considerável em relação à
temperatura do ar. O problema principal apresentado por essa técnica de medição é a sua incapacidade de medir
velocidades abaixo de 0.5 m/s. Medições de baixas velocidades são importantes, por exemplo, para o estudo de
deslocamentos do ar por convecção, tais como os existentes em alguns trocadores de calor. Para essa faixa de
velocidade outras técnicas de medição são indicadas. Entre elas está o anemômetro a efeito Peltier. Para uma
melhor compreensão do funcionamento do instrumento, uma breve introdução aos efeitos Peltier e Seebeck será
dada a seguir.
Princípio de funcionamento
O anemômetro a efeito Peltier explora basicamente dois fenômenos termoelétricos: o efeito Seebeck e o
efeito Peltier.
O efeito Seebeck consiste em uma força eletromotriz gerada na junção de dois materiais. Quando as
duas junções encontram-se a temperaturas distintas, ocorre uma diferença de potencial, dada por:
V = α AB (T1 − T2 )
onde V é a diferença de potencial, αAB é a diferença de poder termoelétrico dos dois materiais e T1 e T2 as
temperaturas das junções.
O efeito Peltier é caracterizado por uma absorção (ou geração) de calor na junção dos dois materiais
quando submetidos a uma corrente elétrica. O fluxo de calor é absorvido ou gerado de maneira reversível e
depende do sentido da corrente. É dado por:
q" = α AB IT
onde q” é o fluxo de calor, I é a corrente elétrica e T é a temperatura da junção (em Kelvin).
Esse anemômetro opera de maneira alternada entre os efeitos Peltier e Seebeck. Em um primeiro
momento é aplicado uma corrente elétrica no sensor. Em uma das junções ocorre, por efeito Peltier, uma
absorção de calor e na outra uma geração de calor (também por efeito Peltier). Como consequência ocorrerá uma
diferença de temperaturas entre essas junções, mostrada pela linha cheia da Figura 1. A corrente é então
interrompida e rapidamente é medida a tensão gerada por efeito Seebeck. Considera-se que, nesse intervalo de
medição, a temperatura seja constante. Essa diferença de temperatura depende basicamente da velocidade do
fluido. Quanto maior a velocidade, menor a diferença de temperatura gerada, conforme o mostrado pela linha
tracejada na Figura 1.
O sensor é calibrado em um túnel de vento, apresentando uma resposta conforme o ilustrado pela
Figura 5. Nota-se que o sinal diminui com o acréscimo de velocidade.
Cabe ressaltar que o acréscimo de temperatura média do sensor, gerado por efeito Joule (da ordem de
3mW), é pequeno, sendo da ordem de aproximadamente 10 K. Dessa forma a perturbação induzida pelo sensor
(por convecção natural) é reduzida, permitindo a medição de baixas velocidades em fluidos (acima de 2 cm/s no
ar).
Contudo esse sensor apresentou uma certa incerteza na medição de fluidos com gradientes de
temperatura. Güths [1] propôs uma solução na qual o sentido de injeção de corrente é alternada periodicamente,
coforme o mostrado na Figura 2. Para o sinal de saída executa-se a diferença entre as respostas dos ciclos
positivo (t1 e t2) e negativo (t3 e t4). Esse artifício anulou o sinal parasita causado por um eventual gradiente de
temperatura no fluido. Entretando, a complexidade do circuito de medição, ilustrado na Figura 3 na forma de
diagrama de blocos, aumentou consideravelmente.
Figura 1: Efeito Peltier
Vmax
T1
Vmax
t1 t2
0V
0V
T2
-Vmax
t3 t4
-Vmax
(a)
(b)
Figura 2: Sinal presente no sensor
Embora o princípio de medição já esteja determinado e medições práticas tenham demonstrado
coerência com resultados teóricos ([1], [2]), a variável de saída (tensão) apresenta-se bastante ruidosa (ruído
global de aproximadamente 10% da tensão de saída), o que impossibilita a utilização do instrumento com
multímetros comuns. Obviamente a utilização de filtros poderia resolver o problema. Mas, para sensores que
necessitem de um período T1 relativamente elevado (como o apresentado em [1], [2]), os filtros seriam muito
volumosos e caros. Outras formas de compensação devem ser procuradas para resolver o problema e esse artigo
tem por objetivo propor algumas. Alguns resultados, obtidos por simulações, também serão apresentados.
Figura 3: Diagrama de blocos do anemômetro
Características do sensor construído
O sensor construído para experimentação é constituído por um fio de constantan com cobre depositado
em sua superfície, conforme mostra a Figura 4.
Figura 4: Sensor
Com essas características físicas, o sensor apresenta a curva de tensão Seebeck em função da velocidade
dada pela Figura 5.
Figura 5: Tensão Seebeck no sensor em função da velocidade do fluido
Detecção do efeito Seebeck
O intervalo de medição do efeito Seebeck é muito crítico. Como esse sinal está na faixa de µV, vários
cuidados devem ser tomados. No circuito de detecção original, reproduzido na Figura 6, observa-se que há
apenas um único estágio de amplificação de ganho elevado. Com essa configuração várias não idealidades do
amplificador operacional podem interferir na medição: produto ganho-banda, slew-rate, off-set, etc. Como o
aplificador é levado à saturação no instante t1, o produto ganho-banda é o principal fator limitante para essa
configuração. Uma forma de contornar esse problema é a utilização de várias etapas de amplificação de menor
ganho. Com isso, o off-set torna-se o principal fator limitante, sendo que a utilização de técnicas especiais de
compensação, tais como os amplificadores “chopper stabilized”, minimizam o problema.
Figura 6: Circuito de detecção original [1]
Outra forma de melhorar o desempenho do circuito é evitar que a etapa de amplificação seja levada à
saturação. Isso pode ser feito chaveando-se o sinal presente no sensor, de forma que somente o sinal do intervalo
t2 seja amplificado. Uma sugestão para essa etapa está mostrada na Figura 7, onde observa-se uma etapa de préamplificação, de baixo ganho, uma amplificadora e um estágio posterior de retificadores de precisão, onde os
intervalos positivo e negativo do sinal são separados. Essa separação é necessária para que esses sinais sejam
subtraídos posteriormente. Para que o sinal do intervalo de injeção do sinal no sensor não seja passado para o
circuito de amplificação, deve haver uma “zona morta” entre o tempo de ativação da chave e os tempos de inicial
e final do intervalo t1. Essa “zona morta” está representada na Figura 8 (∆c1).
Figura 7: Circuito de detecção modificado
Vmax
Vi
0V
-Vmax
Von VC1
∆ c1
∆c1
Voff
Figura 8: Sinal de controle para a chave
A Figura 8 mostra o sinal Seebeck presente no sensor (no caso, uma rede RC simulando a presença do
mesmo) e os sinais nas saídas dos retificadores.
Vi
VoP
VoN
Figura 9: Sinais Seebeck, no sensor e nas saídas dos retificadores
Considerações sobre a amostragem do sinal Seebeck
Os circuitos apresentados até o momento tratam todos os intervalos de medição do sinal Seebeck
presentes no período T1. No entanto, isso só é interessante para o caso do estudo da resposta transiente do sensor,
pois o intervalo de interesse é o existente quando a troca de calor de sensor com o fluido estabiliza-se [1]. Os
períodos T1 e T2 devem ser especificados para que isso ocorra nos intervalos finais de cada semi-ciclo [1] e, para
a simplificação do circuito, pode-se considerar somente o último intervalo de cada semi-ciclo.
Um circuito que realiza a medição dessa forma é dado na Figura 10.
Vo
Figura 11: Medição do sinal Seebeck somente no final de cada semiciclo
Vi
Vc2
Vc3
Figura 8: Pulsos de controle
Observa-se que os novos pulsos de controle devem obedecer às mesmas restrições de Vc1 quanto ao
intervalos de “zona morta”.
Na Figura 12 estão apresentados os sinais presentes em alguns pontos do circuito, de forma
parametrizada para que uma melhor visualização das características do circuito. Observa-se que o sinal de saída é
uma excelente reprodução do sinal Seebeck na entrada do amplificador (após a chave 1).
Vo
VP
Vseebeck
0V
VN
Figura 12: Sinais no circuito da Figura 7
Conclusões
Os resultados apresentados pelas simulações mostram que o anemômetro a efeito Peltier pode ter o seu
desempenho bastante melhorado com as propostas apresentadas. Com a utilização de um microcontrolador os
sinais de controle podem ser facilmente gerados e, com a utilização conjunta de um conversor A/D, outras
vantagens pode ser conseguidas. Entre elas estão a maior facilidade de calibração do instrumento, maior
flexibilidade para o ajuste dos períodos T1 e T2, possibilidade de aquisição do sinal, etc.
Essas modificações são alvo de estudo em um novo protótipo para o anemômetro, em fase de
construção. Espera-se, com isso, que o anemômetro a efeito Peltier venha a se tornar uma boa alternativa para
medições de baixas velocidades.
Referências
1. Saulo Güths, “Anémomètre a effet Peltier et fluxmètre thermique. Conception et realisation.
Application a l'etude de la convection naturelle”. Dr thesis, Université D'Artois (Fr), 1993.
2. S. Lassue, S. Güths, D. Leclercq, B. Duthoit “Contribution to the experimental study of natural
convection by heat flux measurement and anemometry using thermoelectric effects”. Proceedings of the Third
World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, October-5 November,
1993
3. A. Bejan “Convection heat transfer”. Ed Wiley & Sons, New York, 1984.
4. S. Ostrach “An analysis of laminar free-convection flow and heat transfer about a flat plate parallel
to the direction of the generating body force”. NACA-TN2635, Feb. 1952.