ترموپایل: دستگاهی که گرما را به برق تبدیل میکند
ترمپایل دستگاهی است که با استفاده از اثر ترمیک، گرما را به برق تبدیل میکند.
این دستگاه شامل چندین ترموکوپل است که جفتهای سیمهایی هستند که از فلزات مختلف ساخته شدهاند و زمانی که در معرض یک تفاوت دما قرار میگیرند ولتاژ تولید میکنند. ترموکوپلها به صورت سری یا بعضی اوقات موازی به هم متصل میشوند تا یک ترمپایل تشکیل دهند که ولتاژ خروجی بیشتری نسبت به یک ترموکوپل واحد تولید میکند. ترمپایلها برای کاربردهای مختلفی مانند اندازهگیری دما، تولید انرژی و شناسایی تابش مادون قرمز استفاده میشوند.
ترمپایل چگونه کار میکند؟
ترمپایل بر اساس اثر ترمیک کار میکند که تبدیل مستقیم تفاوتهای دما به ولتاژ الکتریکی و بالعکس است. این اثر در سال ۱۸۲۶ توسط توماس زیبک کشف شد که مشاهده کرد که مداری از دو فلز مختلف زمانی که یک پیوند گرم و دیگری سرد میشد ولتاژ تولید میکند.
ترمپایل به طور اساسی یک سری از ترموکوپلها است که هر یک شامل دو سیم از فلزات مختلف با قدرت ترمیک بزرگ و قطبیتهای مخالف هستند.
قدرت ترمیک میزان ولتاژی است که یک ماده برای هر واحد تفاوت دما تولید میکند. سیمها در دو پیوند به هم متصل میشوند، یکی گرم و دیگری سرد. پیوندهای گرم در منطقهای با دمای بالاتر قرار میگیرند، در حالی که پیوندهای سرد در منطقهای با دمای پایینتر قرار میگیرند. تفاوت دما بین پیوندهای گرم و سرد باعث جریان جریان الکتریکی در مدار میشود و ولتاژ خروجی تولید میکند.
ولتاژ خروجی ترمپایل متناسب با تفاوت دما در دستگاه و تعداد جفتهای ترموکوپل است.
ثابت تناسب به عنوان ضریب زیبک شناخته میشود که به ولت بر کلوین (V/K) یا میلی ولت بر کلوین (mV/K) بیان میشود. ضریب زیبک به نوع و ترکیب فلزات استفاده شده در ترموکوپلها بستگی دارد.
نمودار زیر یک ترمپایل ساده با دو مجموعه جفتهای ترموکوپل به صورت سری اتصال شده را نشان میدهد.
دو پیوند ترموکوپل بالایی در دمای T1 هستند، در حالی که دو پیوند ترموکوپل پایینی در دمای T2 هستند. ولتاژ خروجی از ترمپایل، ΔV، متناسب با تفاوت دما، ΔT یا T1 – T2، در لایه مقاومت حرارتی و تعداد جفتهای ترموکوپل است. لایه مقاومت حرارتی یک ماده است که انتقال گرما بین مناطق گرم و سرد را کاهش میدهد.
نمودار ترمپایل دماهای دیفرانسیل
T1
|\
| \
| \
| \
| \
| \ ΔV
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
------------------
مقاومت حرارتی
لایه
------------------
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| / ΔV
| /
| /
| /
| /
| /
|/
T2
ترمپایلها میتوانند با بیش از دو مجموعه جفتهای ترموکوپل ساخته شوند تا ولتاژ خروجی را افزایش دهند.
ترمپایلها میتوانند به صورت موازی نیز اتصال شوند، اما این کانفیگوریشن کمتر رایج است زیرا جریان خروجی را افزایش میدهد و نه ولتاژ خروجی.
ترمپایلها فقط به تفاوتهای دما یا گرادیانهای دما پاسخ میدهند و نه به دمای مطلق.
بنابراین، آنها میتوانند برای اندازهگیری جریان گرمایی استفاده شوند که نرخ انتقال گرما بر واحد مساحت است. جریان گرمایی میتواند با تقسیم ولتاژ خروجی بر مقاومت حرارتی و مساحت دستگاه محاسبه شود.
ترمپایلها از تابش مادون قرمز به عنوان یک روش انتقال گرما استفاده میکنند و همچنین برای اندازهگیری دما بدون تماس استفاده میشوند.
تابش مادون قرمز تابش الکترومغناطیسی با طول موج بین ۷۰۰ نانومتر و ۱ میلیمتر است که به دماهای بین ۳۰۰ کلوین و ۵۰۰۰ کلوین مربوط میشود. هر شیء با دمای غیرصفر تابش مادون قرمز ارسال میکند و میتواند توسط یک سنسور ترمپایل شناسایی شود.
نوعهای سنسورهای ترمپایل
سنسور ترمپایل دستگاهی است که یک یا چند ترمپایل را برای اندازهگیری دما یا تابش مادون قرمز از یک شیء یا منبع استفاده میکند.
سنسورهای ترمپایل بر اصول اندازهگیری بدون تماس بنا شدهاند و مزایای مختلفی نسبت به سنسورهای مبتنی بر تماس دارند، مانند دقت بالاتر، زمان پاسخ سریعتر، محدوده گستردهتر و نگهداری کمتر.
نوعهای مختلفی از سنسورهای ترمپایل وجود دارد که به تعداد، کانفیگوریشن و ماده ترموکوپلها، همچنین طراحی جاذب تابش مادون قرمز و فیلتر بستگی دارد. برخی از نوعهای رایج سنسورهای ترمپایل عبارتند از:
سنسور ترمپایل تکعنصری: این نوع سنسور فقط یک ترمپایل با یک پیوند گرم و یک پیوند سرد دارد. پیوند گرم به یک جاذب تابش مادون قرمز کوچک متصل است، معمولاً یک ممبران ماکرو ماشینی شده روی یک تراشه سیلیکونی. پیوند سرد به یک سینک گرمایی یا دمای مرجع متصل است. سنسور تفاوت دما بین پیوندهای گرم و سرد را اندازهگیری میکند که متناسب با تابش مادون ق
