'n Thermopiel is 'n toestel wat hitte in elektrisiteit omskep deur gebruik te maak van die termoelektriese effek.

Dit bestaan uit verskeie termokoppels, wat pare draad is gemaak van verskillende metale wat 'n spanning genereer wanneer hulle blootgestel word aan 'n temperatuurverskil. Termokoppels word in reeks of soms parallel verbonden om 'n thermopiel te vorm, wat 'n hoër spannings uitset produseer as 'n enkele termokoppel. Thermopiele word vir verskeie toepassings gebruik, soos temperatuur meet, krag generering, en infrarood-straling opspoor.

Hoe werk 'n thermopiel?

'n Thermopiel werk op die beginsel van die termoelektriese effek, wat die direkte omskakeling van temperatuurverskille na elektriese spanning en andersom is. Hierdie effek is ontdek deur Thomas Seebeck in 1826, wat waargeneem het dat 'n sirkel gemaak van twee verskillende metale 'n spanning produseer het wanneer een verbindingspunt verhit is en die ander gekoel is.

'n Thermopiel is eintlik 'n reeks termokoppels, elkeen bestaande uit twee drade van verskillende metale met groot termoelektriese krag en teenoorgestelde polariteite.

Termoelektriese krag is 'n maatstaf van hoeveel spanning 'n materiaal per eenheid temperatuurverskil genereer. Die drade word by twee verbindingspunte gevoeg, een warm en een koud. Die warm verbindingspunte word in 'n gebied met hoër temperature geplaas, terwyl die koue verbindingspunte in 'n gebied met laer temperature geplaas word. Die temperatuurverskil tussen die warm en koue verbindingspunte veroorsaak 'n elektriese stroom wat deur die sirkel vloei, wat 'n spanning uitset genereer.

Die spanning uitset van 'n thermopiel is eweredig aan die temperatuurverskil oor die toestel en die aantal termokoppelpare.

Die eweredigheidskonstante staan bekend as die Seebeck-koeffisiënt, wat uitgedruk word in volt per kelvin (V/K) of millivolt per kelvin (mV/K). Die Seebeck-koeffisiënt hang af van die tipe en kombinasie van metale wat in die termokoppels gebruik word.

Die diagram hieronder wys 'n eenvoudige thermopiel met twee stelle termokoppelpare in reeks verbonden.

Die twee bo-temperatuurverbindingspunte is by temperatuur T1, terwyl die twee onder-temperatuurverbindingspunte by temperatuur T2 is. Die uitsetspanning van die thermopiel, ΔV, is eweredig aan die temperatuurverskil, ΔT of T1 – T2, oor die termiese weerstandslaag en die aantal termokoppelpare. Die termiese weerstandslaag is 'n materiaal wat die hitteoordrag tussen die warm en koue gebiede verminder.

Diagram van 'n differensiaal temperatuur thermopiel

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Termiese
       Weerstand
        Laag
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Thermopiele kan ook met meer as twee stelle termokoppelpare gebou word om die spanning uitset te verhoog.

Thermopiele kan ook parallel verbonden word, maar hierdie konfigurasie is minder algemeen omdat dit die stroom uitset verhoog eerder as die spanning uitset.

Thermopiele reageer nie op absolute temperatuur, maar net op temperatuurverskille of gradiënte.

Daarom kan hulle gebruik word om hittevlugt te meet, wat die koers van hitteoordrag per oppervlak is. Hittevlugt kan bereken word deur die spanning uitset deur die termiese weerstand en die oppervlak van die toestel te deel.

Thermopiele gebruik infrarood-straling as 'n middel van hitteoordrag en word ook vir kontaklose temperatuurmeting gebruik.

Infrarood-straling is elektromagnetiese straling met golflengtes tussen 700 nm en 1 mm, wat ooreenstem met temperature tussen 300 K en 5000 K. Infrarood-straling word uitgestraal deur enige voorwerp met 'n nul-temperatuur en kan opgespoor word deur 'n thermopiel sensor.

Tipes thermopiel-sensore

'n Thermopiel-sensor is 'n toestel wat een of meer thermopiele gebruik om temperatuur of infrarood-straling van 'n voorwerp of bronne te meet.

Thermopiel-sensore is gebaseer op kontaklose meetprinsipes en het verskeie voordele oor kontakgebaseerde sensore, soos hoër akkuraatheid, vinniger reaksietyd, wyer bereik, en laer instandhouding.

Daar is verskillende tipes thermopiel-sensore, afhangende van die aantal, konfigurasie, en materiaal van die termokoppels, sowel as die ontwerp van die infrarood-absorbeerder en die filter. Sommige van die algemene tipes thermopiel-sensore is:

• Enkelelement-thermopiel-sensor: Hierdie tipe sensor het slegs een thermopiel met een warm verbindingspunt en een koue verbindingspunt. Die warm verbindingspunt is aan 'n dunne infrarood-absorbeerder geheg, gewoonlik 'n mikro-gemasjienede membran op 'n silikonchip. Die koue verbindingspunt is aan 'n hitteput of 'n verwysingstemperatuur geheg. Die sensor meet die temperatuurverskil tussen die warm en koue verbindingspunte, wat eweredig is aan die infrarood-straling wat deur die membran geabsorbeer word. Hierdie tipe sensor is geskik vir die meting van lae tot medium infrarood-stralingvlakke en het 'n vinnige reaksietyd.

• Meer-element-thermopiel-sensor: Hierdie tipe sensor het verskeie thermopiele in parallel of in reeks gerangskik. Elke thermopiel het sy eie warm en koue verbindingspunte, wat aan 'n gemeenskaplike infrarood-absorbeerder en 'n gemeenskaplike hitteput geheg is. Die sensor meet die som van die spanning uitsette van elke thermopiel, wat eweredig is aan die totale infrarood-straling wat deur die membran geabsorbeer word. Hierdie tipe sensor is geskik vir die meting van hoë infrarood-stralingvlakke en het 'n hoë sensitieweheid.

• Ry-thermopiel-sensor: Hierdie tipe sensor het 'n ry thermopiele in ry en kolomme op 'n substraat gerangskik. Elke thermopiel het sy eie warm en koue verbindingspunte, wat aan individuele infrarood-absorbeerders en hittepute gehe