Termoelement: En enhed, der omdanner varme til elektricitet
En termopil er en enhed, der konverterer varme til elektricitet ved hjælp af termoelektrisk effekt.
Den består af flere termokobler, som er par af ledninger lavet af forskellige metaller, der genererer en spænding, når de udsættes for en temperaturforskel. Termokoblerne er forbundet i serie eller nogle gange parallelt for at danne en termopil, som producerer en højere spændingsoutput end en enkelt termokoble. Termopiler bruges til forskellige anvendelser, såsom måling af temperatur, generering af strøm, og detektering af infrarød stråling.
Hvordan fungerer en termopil?
En termopil fungerer på principperne for den termoelektriske effekt, som er direkte konvertering af temperaturforskelle til elektrisk spænding og omvendt. Denne effekt blev opdaget af Thomas Seebeck i 1826, der observerede, at en kredsløb lavet af to forskellige metaller producerede en spænding, når et junction blev opvarmet, mens det andet blev kølet ned.
En termopil er i væsentlig grad en række termokobler, hvor hver består af to ledninger af forskellige metaller med stor termoelektrisk effekt og modsatte polariteter.
Termoelektrisk effekt er en måling af, hvor meget spænding en materiale genererer pr. enhed temperaturforskel. Ledningerne er forbundet ved to junctions, en varm og en kold. De varme junctions er placeret i en region med højere temperatur, mens de kolde junctions er placeret i en region med lavere temperatur. Temperaturforskellen mellem de varme og kolde junctions forårsager en elektrisk strøm, der løber gennem kredsløbet, og genererer et spændingsoutput.
Spændingsoutputtet fra en termopil er proportionalt med temperaturforskellen over enheden og antallet af termokoblepar.
Proportionalitetskonstanten kaldes Seebeck-koefficienten, der udtrykkes i volts per kelvin (V/K) eller millivolts per kelvin (mV/K). Seebeck-koefficienten afhænger af typen og kombinationen af metaller, der bruges i termokoblerne.
Figuren nedenfor viser en simpel termopil med to sæt termokoblepar forbundet i serie.
De to øverste termokoblejunctions er ved temperatur T1, mens de to nederste termokoblejunctions er ved temperatur T2. Outputspændingen fra termopilen, ΔV, er direkte proportional med temperaturforskellen, ΔT eller T1 – T2, over den termiske modstandsskive og antallet af termokoblepar. Den termiske modstandsskive er en materiale, der reducerer värmeoverførslen mellem de varme og kolde regioner.
Diagram af en differentiel temperatur termopil
T1
|\
| \
| \
| \
| \
| \ ΔV
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
------------------
Termisk
Modstandsskive
Layer
------------------
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| / ΔV
| /
| /
| /
| /
| /
|/
T2
Termopiler kan også konstrueres med mere end to sæt termokoblepar for at øge spændingsoutputtet.
Termopiler kan også forbindes parallelt, men denne konfiguration er mindre almindelig, da den øger strømoutputtet snarere end spændingsoutputtet.
Termopiler reagerer ikke på absolutte temperaturer, men kun på temperaturforskelle eller gradienter.
Derfor kan de bruges til at måle værmeoverførselsrate, som er hastigheden af värmeoverførsel pr. areal. Værmeoverførselsrate kan beregnes ved at dividere spændingsoutputtet med den termiske modstand og arealet af enheden.
Termopiler bruger infrarød stråling som en form for värmeoverførsel og bruges også til kontaktfri temperaturmåling.
Infrarød stråling er elektromagnetisk stråling med bølgelængder mellem 700 nm og 1 mm, hvilket svarer til temperaturer mellem 300 K og 5000 K. Infrarød stråling udsendes af ethvert objekt med en ikke-nul temperatur og kan registreres af en termopil sensor.
Typer af termopil-sensorer
En termopil-sensor er en enhed, der bruger en eller flere termopiler til at måle temperatur eller infrarød stråling fra et objekt eller en kilde.
Termopil-sensorer baserer sig på kontaktfrie målingsprincipper og har forskellige fordele i forhold til kontaktbaserede sensorer, såsom højere nøjagtighed, hurtigere respons tid, bredere område, og lavere vedligeholdelse.
Der findes forskellige typer af termopil-sensorer, afhængigt af antallet, konfigurationen, og materialet af termokoblerne, samt designet af infrarød absorberen og filteret. Nogle af de almindelige typer af termopil-sensorer er:
Enkeltelement-termopil-sensor: Denne type sensor har kun en termopil med en enkelt varm junction og en enkelt kold junction. Den varme junction er fastgjort til en tynd infrarød absorber, ofte en mikromaskineret membran på en siliciumchip. Den kolde junction er forbundet til en varmesink eller en referencetemperatur. Sensoren måler temperaturforskellen mellem de varme og kolde junctions, som er proportional med den infrarøde stråling, der absorbères af membranen. Denne type sensor er egnet til at måle lav til medium niveau af infrarød stråling og har en hurtig responstid.
Flerelement-termopil-sensor: Denne type sensor har flere termopiler arrangeret i parallel eller i serie. Hver termopil har sine egne varme og kolde junctions, som er forbundet til en fælles infrarød absorber og en fælles varmesink. Sensoren måler summen af spændingsoutputter fra hver termopil, som er proportional med det samlede niveau af infrarød stråling, der absorbères af membranen. Denne type sensor er egnet til at måle højt niveau af infrarød stråling og har en høj sensitivitet.
Matrix-termopil-sensor: Denne type sensor har en matrix af termopiler arrangeret i rækker og kolonner på en substrat. Hver termopil har sine egne varme og kolde junctions, som er forbundet til individuelle infrarød absorbere og varmesinker. Sensoren måler spændingsoutputtet fra hver termopil separat, som er proportional med den lokale infrarøde stråling, der absorbères af hver absorber. Denne type sensor kan skabe et todimensionalt billede af infrarød strålingens distribution og kan detektere position, form, og bevægelse af et objekt.
