Termopila je zařízení, které převádí teplo na elektrickou energii pomocí termoelektrického efektu.

Skládá se z několika termočlánků, což jsou páry drátů z různých kovů, které generují napětí, když jsou vystaveny rozdílu teplot. Termočlánky jsou spojeny sériově nebo někdy paralelně, aby vytvořily termopilu, která produkuje vyšší výstupní napětí než jeden termočlánek. Termopily se používají pro různé aplikace, jako je měření teploty, generování energie a detekce infračerveného záření.

Jak funguje termopila?

Termopila funguje na principu termoelektrického efektu, který je přímým převodem rozdílů teplot na elektrické napětí a naopak. Tento efekt objevil Thomas Seebeck v roce 1826, kdy pozoroval, že obvod složený ze dvou různých kovů produkuje napětí, když je jedno spojení ohřáno a druhé ochlazeno.

Termopila je v podstatě série termočlánků, každý z nich se skládá z dvojice drátů z různých kovů s velkou termoelektrickou mocností a opačnými polaritami.

Termoelektrická mocnost je míra toho, jaké napětí materiál generuje za jednotku rozdílu teplot. Dráty jsou spojeny ve dvou spojích, jednom horkém a jednom chladném. Horké spoje jsou umístěny v oblasti s vyššími teplotami, zatímco chladné spoje jsou umístěny v oblasti s nižšími teplotami. Rozdíl teplot mezi horkými a chladnými spoji způsobí, že elektrický proud poteče skrz obvod, čímž se vygeneruje výstupní napětí.

Výstupní napětí termopily je úměrné rozdílu teplot přes zařízení a počtu párů termočlánků.

Konstanta úměrnosti se nazývá Seebeckův koeficient, který se vyjadřuje v voltách na kelvin (V/K) nebo milivoltách na kelvin (mV/K). Seebeckův koeficient závisí na typu a kombinaci kovů použitých v termočláncích.

Níže uvedený diagram ukazuje jednoduchou termopilu s dvěma sadami párů termočlánků spojených sériově.

Dva horní spoje termočlánků jsou v teplotě T1, zatímco dva spodní spoje termočlánků jsou v teplotě T2. Výstupní napětí z termopily, ΔV, je přímo úměrné rozdílu teplot, ΔT nebo T1 – T2, přes tepelnou odporovou vrstvu a počet párů termočlánků. Tepelná odporová vrstva je materiál, který snižuje přenos tepla mezi horkou a chladnou oblastí.

Diagram diferenciální teploty termopily

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Tepelná
       Odporová vrstva
        Vrstva
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopily lze také konstruovat s více než dvěma sadami párů termočlánků, aby se zvýšil výstupní výkon.

Termopily lze také spojit paralelně, ale tato konfigurace je méně běžná, protože zvyšuje výkon proudu namísto výkonu napětí.

Termopily neodpovídají na absolutní teplotu, ale pouze na rozdíly teplot nebo gradienty teplot.

Proto lze termopily použít k měření tepelného toku, což je rychlost přenosu tepla na jednotku plochy. Tepelný tok lze vypočítat dělením výstupního napětí tepelným odporem a plochou zařízení.

Termopily používají infračervené záření jako prostředek přenosu tepla a jsou také používány pro nepřímé měření teploty.

Infračervené záření je elektromagnetické záření s vlnovými délkami mezi 700 nm a 1 mm, což odpovídá teplotám mezi 300 K a 5000 K. Infračervené záření emituje jakýkoli objekt s nenulovou teplotou a lze ho detekovat termopilovým senzorem.

Typy termopilových senzorů

Termopilový senzor je zařízení, které používá jeden nebo více termopil, k měření teploty nebo infračerveného záření od objektu nebo zdroje.

Termopilové senzory jsou založeny na principu nepřímého měření a mají různé výhody oproti kontaktním senzorům, jako je vyšší přesnost, rychlejší doba odezvy, širší rozsah a nižší údržba.

Existuje několik typů termopilových senzorů, v závislosti na počtu, konfiguraci a materiálu termočlánků, stejně jako na návrhu absorpční vrstvy infračerveného záření a filtra. Některé z běžných typů termopilových senzorů jsou:

• Jednoprvkový termopilový senzor: Tento typ senzoru má pouze jednu termopilu s jedním horkým spojem a jedním chladným spojem. Horký spoj je připojen k tenké infračervené absorpční vrstvě, obvykle mikro-machované membráně na silikiovém čipu. Chladný spoj je připojen k tepelnému propusti nebo referenční teplotě. Senzor měří rozdíl teplot mezi horkým a chladným spojem, který je úměrný infračervenému záření absorbovanému membránou. Tento typ senzoru je vhodný pro měření nízkých až středních úrovní infračerveného záření a má rychlou dobu odezvy.

• Víceprvkový termopilový senzor: Tento typ senzoru má několik termopil uspořádaných paralelně nebo sériově. Každá termopila má své vlastní horké a chladné spoje, které