VII Workshop de Iberchip IWS Um estudo sobre o circuito de detecção do efeito Seebeck no anemômetro a efeito Peltier

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1 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, 2 S. Güths Abstract 1 Laboratório de Circuitos Integrados - LCI Universidade Federal de Santa Catarina UFSC CEP Florianópolis - SC Brasil carlos@lmpt.ufsc.br 2 Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas dos Materiais LMPT Universidade Federal de Santa Catarina UFSC CEP Florianópolis - SC Brasil saulo@lmpt.ufsc.br 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:

2 V = α AB ( T 1 T2 ) onde V é a diferença de potencial, α AB é a diferença de poder termoelétrico dos dois materiais e T 1 e T 2 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 IT AB 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 (t 1 e t 2 ) e negativo (t 3 e t 4 ). 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

3 Vmax T1 Vmax t1 t2 T2 t3 t4 -Vmax -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 T 1 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.

4 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 t 1, 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 t 2 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 t 1. Essa zona morta está representada na Figura 8 ( c1).

5 Figura 7: Circuito de detecção modificado Vi Vmax -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 T 1. 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 T 1 e T 2 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.

6 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 Conclusões VN Figura 12: Sinais no circuito da Figura 7 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 T 1 e T 2, 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.

7 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), 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, A. Bejan Convection heat transfer. Ed Wiley & Sons, New York, 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