Una termopila és un dispositiu que converteix el calor en electricitat utilitzant l'efecte termoelèctric.

Està formada per diversos termopars, que són parells de fils fets de metalls diferents que generen un voltatge quan estan exposats a una diferència de temperatura. Els termopars es connecten en sèrie o, de vegades, en paral·lel per formar una termopila, la qual produeix un voltatge més alt que un únic termopar. Les termopiles s'utilitzen per diverses aplicacions, com mesurar la temperatura, generar energia i detectar radiació infraroja.

Com funciona una termopila?

Una termopila funciona segons el principi de l'efecte termoelèctric, que és la conversió directa de les diferències de temperatura en voltatge elèctric i viceversa. Aquest efecte fou descobert per Thomas Seebeck el 1826, qui va observar que un circuit fet de dos metalls diferents produïa un voltatge quan una junta estava calenta i l'altra refredada.

Una termopila és essencialment una sèrie de termopars, cada una de les quals consta de dos fils de metalls diferents amb gran potència termoelèctrica i polaritats oposades.

La potència termoelèctrica és una mesura de quant voltatge genera un material per unitat de diferència de temperatura. Els fils s'uneixen en dues juntes, una calenta i una freda. Les juntes calentes es col·loquen en una regió amb temperatures més altes, mentre que les juntes fredes es col·loquen en una regió amb temperatures més baixes. La diferència de temperatura entre les juntes calentes i fredes provoca un corrent elèctric que flueix pel circuit, generant un voltatge de sortida.

El voltatge de sortida d'una termopila és proporcional a la diferència de temperatura a través del dispositiu i al nombre de parells de termopars.

La constant de proporcionalitat s'anomena coeficient de Seebeck, que es expressa en volts per kelvin (V/K) o milivolts per kelvin (mV/K). El coeficient de Seebeck depèn del tipus i combinació de metalls utilitzats en els termopars.

El diagrama següent mostra una termopila simple amb dos conjunts de parells de termopars connectats en sèrie.

Les dues juntes superiors del termopar estan a la temperatura T1, mentre que les dues juntes inferiors del termopar estan a la temperatura T2. El voltatge de sortida de la termopila, ΔV, és directament proporcional a la diferència de temperatura, ΔT o T1 – T2, a través de la resistència tèrmica capa i el nombre de parells de termopars. La capa de resistència tèrmica és un material que reduïx la transferència de calor entre les regions calenta i freda.

Diagrama d'una termopila de temperatura diferencial

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Resistència
       Tèrmica
        Capa
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Les termopiles també es poden construir amb més de dos conjunts de parells de termopars per augmentar el voltatge de sortida.

Les termopiles també es poden connectar en paral·lel, però aquesta configuració és menys comuna perquè augmenta la sortida de corrent en lloc de la sortida de voltatge.

Les termopiles no reaccionen a la temperatura absoluta, sinó només a les diferències de temperatura o gradients.

Per tant, es poden utilitzar per mesurar el flux de calor, que és la taxa de transferència de calor per unitat d'àrea. El flux de calor es pot calcular dividint el voltatge de sortida per la resistència tèrmica i l'àrea del dispositiu.

Les termopiles utilitzen la radiació infraroja com a mitjà de transferència de calor i també s'utilitzen per a la mesura de temperatura sense contacte.

La radiació infraroja és radiació electromagnètica amb longituds d'ona entre 700 nm i 1 mm, que correspon a temperatures entre 300 K i 5000 K. Qualsevol objecte amb una temperatura no nul·la emet radiació infraroja, que es pot detectar amb un sensor de termopila.

Tipus de sensors de termopila

Un sensor de termopila és un dispositiu que utilitza una o més termopiles per mesurar la temperatura o la radiació infraroja d'un objecte o una font.

Els sensors de termopila es basen en principis de mesura sense contacte i tenen diversos avantatges sobre els sensors basats en contacte, com una major precisió, una resposta més ràpida, un rang més ampli i un manteniment inferior.

Hi ha diferents tipus de sensors de termopila, depenent del nombre, la configuració i el material dels termopars, així com del disseny de l'absorbidor d'infraroig i del filtre. Alguns dels tipus comuns de sensors de termopila són:

• Sensor de termopila d'element únic: Aquest tipus de sensor té només una termopila amb una sola junta calenta i una sola junta freda. La junta calenta està adjunta a un absorbidor d'infraroig fin, sovint una membrana micro-mecànica en un xip de silici. La junta freda està connectada a un dissipador de calor o a una temperatura de referència. El sensor mesura la diferència de temperatura entre les juntes calenta i freda, que és proporcional a la radiació infraroja absorbida per la membrana. Aquest tipus de sensor és adequat per a mesurar nivells de radiació infraroja baixos a mitjans i té un temps de resposta ràpid.

• Sensor de termopila multi-element: Aquest tipus de sensor té diverses termopiles disposades en paral·lel o en sèrie. Cada termopila té les seves pròpies juntes calenta i freda, que estan connectades a un absorbidor d'infraroig comú i a un dissipador de calor comú. El sensor mesura la suma de les sortides de voltatge de cada termopila, que és proporcional a la radiació infraroja total absorbida per la membrana. Aquest tipus de sensor és adequat per a mesurar nivells alts de radiació infraroja i té una sensibilitat elevada.

• Sensor de termopila en matricial: Aquest tipus de sensor té una matricial de termopiles disposades en files i columnes en un suport. Cada termopila té les seves pròpies juntes calenta i freda, que estan connectades a absorbidors d'infraroig individuals i a dissipadors de calor. El sensor mesura la sortida de voltatge de cada termopila separatament, que és proporcional a la radiació infraroja local absorbida per cada absorbidor. Aquest tipus de sensor pot crear una imatge bidimensional de la distribució de la radiació infraroja i pot detectar la posició, la forma i el moviment d'un objecte.