Термопилата е устройство, което преобразува топлина в електричество чрез използване на термоелектричния ефект.

Състои се от няколко термопарни пари, които са двойки жици от различни метали, които генерират напреение при излагане на температурна разлика. Термопарните пари са свързани поред или понякога паралелно, за да се образува термопила, която произвежда по-високо напреене от единична термопара. Термопилите се използват за различни приложения, като измерване на температура, генериране на енергия и детектиране на инфрачервено излъчване.

Как работи термопилата?

Термопилата работи на принципа на термоелектричния ефект, който е прякото преобразуване на температурни разлики в електрическо напреене и обратно. Този ефект беше открит от Томас Зебек през 1826 година, който забеляза, че цеп, направен от два различни метални проводника, произвежда напреене, когато единият му контакт е нагрят, а другият - охладен.

Термопилата е по същество серия от термопарни пари, всяка от които се състои от две жици от различни метали с големи термоелектрични характеристики и противоположни полярности.

Термоелектричната характеристика е мярка за колко напреене генерира материал на единица температурна разлика. Жиците са свързани в два контакта, един горещ и един студен. Горещите контакти са поставени в област с по-висока температура, докато студените контакти са поставени в област с по-ниска температура. Температурната разлика между горещите и студените контакти причинява електрически ток да протече през цепа, генерирайки напрегнато изходно напреене.

Изходното напреене на термопилата е пропорционално на температурната разлика през устройството и броя на термопарните пари.

Коефициентът на пропорционалност се нарича коефициент на Зебек, който се изразява в волтове на келвин (В/К) или миливолтове на келвин (мВ/К). Коефициентът на Зебек зависи от типа и комбинацията от метали, използвани в термопарните пари.

Диаграмата по-долу показва проста термопила с две групи термопарни пари, свързани поред.

Двете горни контакти на термопарните пари са при температура T1, докато двете долни контакти на термопарните пари са при температура T2. Изходното напреене от термопилата, ΔV, е пряко пропорционално на температурната разлика, ΔT или T1 – T2, през термично съпротивление слой и броя на термопарните пари. Термичният слой на съпротивление е материал, който намалява теплопредаването между горещата и студената зона.

Диаграма на диференциална температурна термопила

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Термично
       Съпротивление
        Слой
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Термопилите могат да бъдат конструирани с повече от две групи термопарни пари, за да се увеличи напрегнатото изходно напреене.

Термопилите могат да бъдат свързани паралелно, но тази конфигурация е по-рядка, защото увеличава изходния ток, а не напреенето.

Термопилите не реагират на абсолютна температура, а само на температурни разлики или градиенти.

Поради това те могат да бъдат използвани за измерване на теплов поток, който е скоростта на предаване на топлина на единица площ. Тепловият поток може да бъде изчислен, като се раздели изходното напреене на термичното съпротивление и площта на устройството.

Термопилите използват инфрачервеното излъчване като средство за предаване на топлина и се използват също за безконтактно измерване на температура.

Инфрачервеното излъчване е електромагнитно излъчване с дължини на вълната между 700 nm и 1 mm, което съответства на температури между 300 K и 5000 K. Инфрачервеното излъчване е излъчвано от всеки обект с ненулева температура и може да бъде детектирано от термопил сензор.

Типове термопилни сензори

Термопилният сензор е устройство, което използва един или повече термопили за измерване на температура или инфрачервено излъчване от обект или източник.

Термопилните сензори се основават на принципи на безконтактно измерване и имат различни предимства пред контактните сензори, като по-голяма точност, по-бързо време за реакция, по-широк диапазон и по-ниски разходи за поддръжка.

Има различни типове термопилни сензори, в зависимост от броя, конфигурацията и материала на термопарните пари, както и дизайна на инфрачервената абсорбера и филтъра. Някои от обикновените типове термопилни сензори са:

• Единичен термопилен сензор: Този тип сензор има само една термопила с един горещ и един студен контакт. Горещият контакт е прикрепен към тънка инфрачервена абсорбера, обикновено микромашинен мембранен чип. Студеният контакт е свързан с хладител или референтна температура. Сензорът измерва температурната разлика между горещия и студения контакт, която е пропорционална на инфрачервеното излъчване, абсорбиран