Efeito Seebeck Peltier Célula de Carga.

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CENTRO UNIVERSITÁIO DA FUNDAÇÃO EDUCAIONAL DE BARRETOS - UNIFEB
Engenharia Mecânica
Título: Parte I: Como o efeito “Seebeck” e “Peltier” estão ligados aos termopares.
Parte II: Como projetar uma célula de carga.
Anderson Matuella Veroneze 
Relatório de Pesquisa
Professor Jadis de Santis Junior
Campus Barretos
Resumo
Esse trabalho tem por finalidade explicar simplificadamente como o efeito “Seebeck” e “Peltier” estão ligados ao funcionamento dos termopares e como dimensionar uma célula de carga.
Palavras-chave: Finalidade, simplificar, efeito, Seebeck, Peltier, termopares, célula de carga.
Parte I: Como o efeito “Seebeck” e “Peltier” estão ligados aos termopares.
Introdução
Efeito “Seebeck”
 O efeito Seebeck consiste no aparecimento de um potencial elétrico em um metal condutor quando o mesmo é submetido á uma diferença de temperatura em suas extremidades. Os elétrons livres do metal irão da extremidade quente para a extremidade fria proporcionando uma tensão elétrica ao longo de sua superfície. O conjunto atingirá uma diferença de potencial constante no equilíbrio, semelhante à de uma pilha eletroquímica. Utilizando-se dois metais diferentes e unidos em uma junção eletricamente condutora, este efeito pode ser aumentado em cerca de uma ordem de grandeza. O coeficiente Seebeck (S) da junção pode ser obtido realizando-se a medida da razão entre a diferença de potencial e a diferença de temperatura; assim, gráficos da diferença de potencial em função da diferença de temperatura aplicada podem ser construídos para a calibração da junção.
O efeito Seebeck está relacionado à conversão de energia térmica em energia elétrica com o aparecimento de uma corrente elétrica na malha. A tensão Seebeck se refere à f.e.m. térmica em uma condição na qual a corrente elétrica seja nula, ou em outras palavras, que o circuito esteja em malha aberta. A polaridade e a magnitude da tensão Seebeck, ES, dependem tanto das temperaturas das junções quanto dos metais com os quais o termopar é construído.
Efeito “Peltier”
Peltier descobriu efeitos termoelétricos peculiares quando introduziu pequenas correntes elétricas externas em um termopar de bismuto-antimônio de Seebeck [11]. Seus experimentos mostraram que, quando uma pequena corrente elétrica atravessa a junção de dois metais diferentes em uma direção, a junção se resfria, absorvendo calor do meio em que se encontra. Quando a direção da corrente é revertida, a junção se aquece, aquecendo o meio em que se encontra. O efeito Peltier está relacionado à emissão ou absorção de calor reversível que normalmente está presente quando uma corrente elétrica atravessa a junção entre dois metais diferentes. Esse efeito está presente tanto quando a corrente é introduzida por um circuito externo, quanto quando é gerada pelo próprio termopar.
Aquecimento ou resfriamento externo da junção provoca o efeito contrário ao efeito Peltier. Mesmo na ausência de todos os outros efeitos termoelétricos, quando a temperatura de uma junção (a junção de referência) é mantida constante e a temperatura da outra junção é aumentada por calor externo, uma corrente elétrica será induzida na malha em uma direção. Se a temperatura desta última for reduzida abaixo da primeira por resfriamento externo, a direção da corrente elétrica será revertida. Portanto, o efeito Peltier está intimamente relacionado ao efeito Seebeck. Peltier posteriormente observou que, para uma determinada corrente elétrica, a taxa de absorção ou liberação de calor em uma junção termoelétrica é dependente do coeficiente de Seebeck, α, dos dois materiais.
Termopares
Vários tipos de pares termoelétricos foram historicamente estudados e, de acordo com a aplicação, alguns foram padronizados. Os tipos mais comuns de termopares são identificados através de letras (T, J, K, E, N, R, S, B), originalmente atribuídas pela Instrument Society of America (ISA). A aplicação de cada um deles depende de vários fatores, sendo a atmosfera (ambiente) e a faixa de temperatura, os principais.
Questões relativas à definição e à utilização de termopares em série ou paralelo surgem de vez em quando. Numa tentativa de esclarecer de um modo geral a maioria destas questões, as seguintes informações são oferecidas.
SERIES - frequentemente denominado como uma Termo pilha.
Termopares ligados em série produzem um sinal f.e.m. que é adicionado. Ou seja, as saídas de um número de termopares que são somadas produzem uma saída total de todos os termopares. Exemplo abaixo.
E=ET1+ET2+ET3.
Duas aplicações comuns são: 
1. Medição de temperatura em que uma mudança muito pequena é fundamental para a aplicação. Ampliando o sinal, essas pequenas mudanças podem ser detectadas mais facilmente num simples instrumento. 
2. Trabalhando com um relé sensível a tensão, onde uma pequena mudança não é suficiente para disparar o contato. Deve-se tomar cuidado neste caso para que não excedam o limite de impedância de trabalho. 
PARALELO – Frequentemente denominado como uma Média de Termopares 
Termopares ligados em paralelo produzem a mesma f.e.m. para um termopar único. Se todos os termopares possuem impedâncias iguais e suas juntas de medição estão em diferentes temperaturas, então a f.e.m. gerada corresponderá à média das temperaturas da das juntas individuais. Exemplo abaixo.
EMF=
Nem sempre é possível fazer todos os pares paralelos com impedâncias iguais. Quando isto representa um problema, podemos acrescentar resistores em série com cada par. Se tivermos quatro pares variando entre 8 e 12 ohms e adicionar resistores de 200 ohms em série com cada um, reduzimos a diferença para uma insignificante fração da resistência total.
Duas aplicações comuns são: 
1. Montagem das carcaças das aeronaves onde um grupo de pares são colocados em um anel ao redor do escape retornam para um indicador simples na cabine 
2. Um método barato de alarme de temperatura alta usando um instrumento único para indicação de alarme. 
Introduzir conexões cruzadas entre qualquer combinação de termopares série ou paralelo não são permitidas.
OPOSIÇÃO - frequentemente denominado como Termopares Diferenciais. 
Termopares ligados em oposição apresentam uma f.e.m. correspondente à diferença dos sinais dos pares individuais. Ou seja, se as juntas de medição dos termopares estão em temperatura diferentes e estes estão ligados em oposição, então a f.e.m. gerada corresponderá à diferença de temperaturas entre em cada um dos pares individuais.
Exemplo abaixo.
E=ET1-ET2
Tipos de Termopares 
Diferentes combinações de metais produzirão termopares diferentes, e estes metais diferentes têm durabilidade e níveis diferentes de força, pesquisadores produziram combinações padronizadas para explorar o máximo resultado do potencial e num conjunto padronizado de combinações. 
Figura 1: Tabela de classificação dos termopares e suas características.
	Dos termopares acima, os que são formados por platina, são conhecidos como termopares nobres (R, S e B) e os demais são chamados de termopares básicos ou termopares de metal comum. Outros tipos de termopares foram criados para aplicações específicas, sendo chamados termopares especiais e não receberam denominação por letras.
Parte II: Como dimensionar uma célula de carga.
Introdução
A Célula de Carga é um transdutor de força, o qual transforma uma grandeza física (força) em um sinal elétrico. É utilizada em balanças comerciais e em soluções para pesagem industrial, aplicada em automatização e controle de processos industriais.
O uso de células de carga como transdutores de medição de força abrange hoje uma vasta gama de aplicações.
A popularização do seu uso decorre do fato que a variável peso está presente em grande parte das transações comerciais e de medição.
O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro (strain gage) (fig. 1), quandosubmetido a uma deformação.
Figura 1 
Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si conforme a ponte de Wheatstone (fig. 2), em 1843 , o físico Inglês Sir Charles Wheatstone inventou um circuito de ponte que pode medir resistências elétricas. O circuito de ponte de Wheatstone é ideal para medir as alterações de resistência que ocorrem nos extensômetros.
Figura 2 
Esta ponte recebendo uma alimentação de 10 a 12vcc e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca.
É através da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada.
Os extensômetros são colados em uma peça metálica (alumínio, aço liga ou aço inoxidável), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua deformação.
A força atua, portanto, sobre o corpo da célula de carga e a sua deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade.
Obviamente, que a forma e as características do corpo da célula de carga devem ser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução, visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da força atuante e a consequente deformação dos extensômetros seja preservada tanto no ciclo inicial de pesagem quanto nos ciclos subsequentes, independentemente das condições ambientais.
Figura 3 
A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma “linearidade” dos resultados (fig. 3). Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há necessidade de se “compensar” os efeitos de temperatura através da introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extensômetros. Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da “histerese” decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam com as descargas respectivas (Fig. 3).
Outro efeito que também deve ser controlado é a “repetibilidade”, ou seja, indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga (Fig. 3).
Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da “fluência” ou creep, que consiste na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresenta-se como variações aparentes na intensidade da força sem que haja incrementos na mesma (Fig. 4).
Fig. 4- Gráfico de deformação x tempo mostrando a fluência ou creep
Aplicações
Medição de Forças
As células de carga são estruturas mecânicas, planejadas a receber esforços e deformar-se dentro do regime elástico a que foram planejadas.
São utilizadas para tração ou compressão, medindo esforços em prensas, cabos, máquinas de ensaio, dinamômetros e uma infinidade de outras, sempre que a medição de força for necessária, quer ela seja peso ou não.
Sistemas de Pesagem
Pesagem de Tanques, Silos, Misturadores e Reatores.
Outra aplicação frequente é na pesagem de tanques ou silos, que permite um controle muito preciso do material recebido em estoque e descarregado pelo reservatório.
Neste caso especial, cuidado deve ser tomado com as escadas, tubulações e eletrodutos; as primeiras não devem interconectar o reservatório ao solo e as duas últimas disporem de conexões flexíveis e, se possível, largo segmento horizontal que assegure a maior elasticidade possível diante do deslocamento vertical do reservatório.
Sempre que possível, deve-se utilizar três células de carga para uma distribuição mais uniforme da carga (o quarto apoio é geometricamente redundante) e, preferencialmente, elas devem estar situadas acima do centro de gravidade, de forma a tornar o sistema autocentrante.
Finalmente, em muitos casos que exista ação de ventos ou estruturas muito altas ou existência de agitadores, deve-se prever tirantes de segurança limitantes ao deslocamento.
Dosagem
Equipamentos de dosagem é outra aplicação importante de células de carga, em que uma determinada fórmula de mistura é estabelecida através de set-points na instrumentação, que comandará a abertura e fechamento das válvulas, cada vez que retirada uma determinada quantidade de material de cada reservatório.
Neste caso, o princípio da dosagem pode ser “contínua” (com as células de carga instaladas em cada reservatório, subtraindo o valor descarregado do mesmo), ou por “batelada” (em que as células de carga ficam instaladas em um reservatório auxiliar, no qual os tanques, um de cada vez, descarregam o material adicionando valores de acordo com uma fórmula pré-definida).
Na escolha do método de dosagem contínuo ou de batelada, deve-se levar em consideração a precisão necessária do sistema, que é definida como o erro admissível do componente de menor peso na fórmula.
Obviamente que o processo por batelada conduz a uma maior precisão absoluta, dado que a capacidade nominal das células de carga que o suportam é menor do que as instaladas nos reservatórios.
Por outro lado, o uso do sistema contínuo permite o controle do nível dos reservatórios que o compõe.
Balanças
Balanças Rodoviárias
A aplicação de células de carga, por exemplo, em balanças rodoviárias, principalmente quando associadas a sistemas computadorizados, permite controle de fluxo de mercadorias a granel nos estabelecimentos industriais com a memorização do peso vazio dos veículos e a possibilidade de obtenção de até dez mil divisões da capacidade nominal da balança.
Diversas soluções de dispositivos de montagem para células de carga (suportes articulados) inclusive para balanças de veículos já foram desenvolvidas, os quais permitem liberdade de deslocamento para a plataforma, deixando a célula de carga inteiramente livre para receber unicamente a força vertical da carga aplicada.
Balanças Comerciais Eletrônicas
A mais popular aplicação de células de carga é nas balanças comerciais eletrônicas.
Elas utilizam uma célula única, especialmente desenvolvida para suportar, sem prejuízo de medição, um esforço de torção, decorrente da carga, eventualmente, colocada na extremidade do prato.
Outros tipos de Balanças: Big Bags, Precisão, Carga Viva, Tendal, Plataforma para pesagem de Big-bags, Analíticas/Precisão, Balanças para pesar carga viva (animais), Tendal (suspensa), Eletrônicas de bancada e de piso/plataforma, Dinamômetros.
Pesagem Embarcada em Caminhões
Controle de Sobrecarga em Gruas, Guindastes e Elevadores de Carga.
Modelos
Compressão: Para medição de forças ou pesos em compressão.
Ex.: Apoio de reservatórios para controle de peso ou nível, sistema de detecção de sobrecarga.
Tração: Para medição de forças ou pesos em tração e compressão. Ex.: Dinamômetros, balanças.
Flexão: Para medição de forças ou pesos em tração e compressão. Ex.: Balança de plataforma, correias transportadoras.
Shear Beam: Para utilização em pesagem e monitoramento de forças em máquinas.
Single Point: Insensível às forças laterais, são utilizadas em balanças onde a plataforma de pesagem (prato) é montada diretamente sobre a célula. Ex.: Balanças de supermercado, plataformas de pesagem.
Coluna: Para medição de forças ou pesos em compressão. Ex.: Apoio de reservatórios p/ controle de pesos ou nível.
Especificação
Especificações quanto à capacidade de células de carga.
Você sabia que a correta especificação da capacidade de carga de uma célula é dimensionada considerando-se um conjunto de informações referentes à aplicação, e não somente a carga-limite envolvida?
Para calcular corretamente o valor da carga de segurança, devemos considerar os seguintes aspectos:
 Carga estáticanominal
 Faixa de sobrecarga estática
 Pré-carga de montagem ou peso morto da estrutura
 Percentual de eventuais cargas de impacto
Carga dinâmica (para trabalhos dinâmicos é usual considerar que: qualquer célula de carga opere com, no máximo, 70% de sua capacidade nominal). Costuma-se utilizar também, no lugar de 70% (1.7 X Escala nominal), um coeficiente que correlacione cada tipo de aplicação com outros fatores empíricos ou conhecidos.
Referências
Disponível em: < http://www.smsresistencias.com.br/termopares.asp> Acesso em 27 de Maio de 2016.
Kakimoto, Luis Carlos, Efeito Peltier-Seebeck: gerando eletricidade por diferença de temperatura, UNICAMP, 1º semestre de 2016.
Souza, Ricardo Farias de, CARACTERIZAÇÃO DO EFEITO SEEBECK EM JUNÇÕES HETÉROGENEAS DE ÓXIDO DE COBRE, VIII EPCC.
Disponível em: < http://www.celuladecarga.com.br/portal/> Acesso em 27 de Maio de 2016.
Barretos, 2016.