Eine Thermopile ist ein Gerät, das Wärme in Elektrizität umwandelt, indem es den thermoelektrischen Effekt nutzt.

Sie besteht aus mehreren Thermoelementen, die Paare von Drähten aus verschiedenen Metallen sind, die eine Spannung erzeugen, wenn sie einer Temperaturdifferenz ausgesetzt sind. Die Thermoelemente sind in Serie oder manchmal parallel verbunden, um eine Thermopile zu bilden, die eine höhere Spannung als ein einzelnes Thermoelement erzeugt. Thermopiles werden für verschiedene Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel zur Messung von Temperaturen, zur Erzeugung von Energie und zur Detektion von Infrarotstrahlung.

Wie funktioniert eine Thermopile?

Eine Thermopile arbeitet nach dem Prinzip des thermoelektrischen Effekts, der die direkte Umwandlung von Temperaturunterschieden in elektrische Spannung und umgekehrt ermöglicht. Dieser Effekt wurde 1826 von Thomas Seebeck entdeckt, der beobachtete, dass ein aus zwei verschiedenen Metallen bestehender Kreis eine Spannung erzeugte, wenn eine Verbindung erhitzt und die andere gekühlt wurde.

Eine Thermopile ist im Wesentlichen eine Reihe von Thermoelementen, die jeweils aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen mit großer thermoelektrischer Leistung und entgegengesetzten Polaritäten bestehen.

Die thermoelektrische Leistung ist ein Maß dafür, wie viel Spannung ein Material pro Temperaturdifferenz erzeugt. Die Drähte sind an zwei Verbindungen, einer heißen und einer kalten, verbunden. Die heißen Verbindungen befinden sich in einer Region mit höheren Temperaturen, während die kalten Verbindungen in einer Region mit niedrigeren Temperaturen platziert sind. Der Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Verbindungen verursacht einen elektrischen Strom, der durch den Kreis fließt und eine Spannungsabgabe erzeugt.

Die Spannungsabgabe einer Thermopile ist proportional zum Temperaturunterschied über dem Gerät und der Anzahl der Thermoelementpaare.

Die Proportionalitätskonstante wird als Seebeck-Koeffizient bezeichnet, der in Volt pro Kelvin (V/K) oder Millivolt pro Kelvin (mV/K) ausgedrückt wird. Der Seebeck-Koeffizient hängt von dem Typ und der Kombination der in den Thermoelementen verwendeten Metalle ab.

Das folgende Diagramm zeigt eine einfache Thermopile mit zwei Sets von Thermoelementpaaren, die in Serie verbunden sind.

Die beiden oberen Thermoelementverbindungen sind bei der Temperatur T1, während die beiden unteren Thermoelementverbindungen bei der Temperatur T2 liegen. Die Ausgangsspannung der Thermopile, ΔV, ist direkt proportional zum Temperaturunterschied, ΔT oder T1 – T2, über der thermischen Widerstandsschicht und der Anzahl der Thermoelementpaare. Die thermische Widerstandsschicht ist ein Material, das die Wärmeübertragung zwischen den heißen und kalten Bereichen reduziert.

Diagramm einer Differenztemperatur-Thermopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
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    |             \
    |              \
    |               \
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        Thermischer
       Widerstand
        schicht
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    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Thermopiles können auch mit mehr als zwei Sets von Thermoelementpaaren konstruiert werden, um die Spannungsabgabe zu erhöhen.

Thermopiles können auch parallel geschaltet werden, aber diese Konfiguration ist weniger üblich, da sie die Stromabgabe eher als die Spannungsabgabe erhöht.

Thermopiles reagieren nicht auf absolute Temperaturen, sondern nur auf Temperaturunterschiede oder -gradienten.

Daher können sie verwendet werden, um den Wärmestrom zu messen, der die Wärmeverlustrate pro Flächeneinheit darstellt. Der Wärmestrom kann berechnet werden, indem die Spannungsabgabe durch den thermischen Widerstand und die Fläche des Geräts geteilt wird.

Thermopiles nutzen Infrarotstrahlung als Mittel zur Wärmeübertragung und werden auch für berührungslose Temperaturmessungen verwendet.

Infrarotstrahlung ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 700 nm und 1 mm, was Temperaturen zwischen 300 K und 5000 K entspricht. Infrarotstrahlung wird von jedem Objekt mit einer nicht Null-Temperatur emittiert und kann von einem Thermopile-Sensor detektiert.

Arten von Thermopile-Sensoren

Ein Thermopile-Sensor ist ein Gerät, das eine oder mehrere Thermopiles verwendet, um die Temperatur oder Infrarotstrahlung von einem Objekt oder einer Quelle zu messen.

Thermopile-Sensoren basieren auf berührungslosen Messprinzipien und haben gegenüber berührungsbasierten Sensoren verschiedene Vorteile, wie höhere Genauigkeit, schnellere Reaktionszeit, breitere Reichweite und geringere Wartung.

Es gibt verschiedene Arten von Thermopile-Sensoren, je nach Anzahl, Konfiguration und Material der Thermoelemente sowie dem Design des Infrarotabsorbers und des Filters. Einige der gängigen Arten von Thermopile-Sensoren sind:

• Einzelnelement-Thermopile-Sensor: Dieser Sensor hat nur eine Thermopile mit einer einzigen heißen Verbindung und einer einzigen kalten Verbindung. Die heiße Verbindung ist an einen dünnen Infrarotabsorber angebracht, meist eine mikromechanisch hergestellte Membran auf einem Siliziumchip. Die kalte Verbindung ist an einen Wärmeableiter oder eine Referenztemperatur angeschlossen. Der Sensor misst den Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Verbindungen, der proportional zur vom Absorber aufgenommenen Infrarotstrahlung ist. Dieser Sensor ist für die Messung von niedrigen bis mittleren Infrarotstrahlungspegeln geeignet und hat eine schnelle Reaktionszeit.

• Mehrerelement-Thermopile-Sensor: Dieser Sensor hat mehrere Thermopiles, die in Parallel oder in Serie angeordnet sind. Jede Thermopile hat ihre eigenen heißen und kalten Verbindungen, die an einen gemeinsamen Infrarotabsorber und einen gemeinsamen Wärmeableiter angeschlossen sind. Der Sensor misst die Summe der Spannungsabgaben jeder Thermopile, die proportional zur gesamten vom Absorber aufgenommenen Infrarotstrahlung ist. Dieser Sensor ist für die Messung hoher Infrarotstrahlungspegel geeignet und hat eine hohe Empfindlichkeit.

• Array-Thermopile-Sensor: Dieser Sensor hat ein Array von Thermopiles, die in Reihen und Spalten auf einem Substrat angeordnet sind. Jede Thermopile hat ihre eigenen heißen und kalten Verbindungen, die an individuelle Infrarotabsorber und Wärmeableiter angeschlossen sind. Der Sensor misst die Spannungsabgabe jeder Thermopile separat, die proportional zur lokalen Infrarotstrahlung ist, die von jedem Absorber aufgenommen wird. Dieser Sensor kann ein zweidimensionales Bild der Infrarotstrahlungsverteilung erstellen und die Position, Form und Bewegung eines Objekts detektieren.

• Trinkgeld