دستگاه ترمومتریک: دستگاهی که گرما را به برق تبدیل می‌کند
ترمپایل دستگاهی است که با استفاده از اثر ترموالکتریک، 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 تفاوت دما قرار می‌گیرند ولتاژ تولید می‌کنند. ترموکوپل‌ها به صورت سری یا گاهی 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 تشخیص تابش پرتوی فروسرخ استفاده می‌شوند.
ترمپایل چگونه کار می‌کند؟
ترمپایل بر اساس اصل اثر ترموالکتریک کار می‌کند که تبدیل مستقیم تفاوت دما به ولتاژ الکتریکی و برعکس است. این اثر در سال ۱۸۲۶ توسط توماس زیبک کشف شد که مشاهده کرد مداری از دو فلز مختلف زمانی که یک اتصال آن گرم و دیگری سرد شد، ولتاژ تولید می‌کند.
ترمپایل در واقع یک سری از ترموکوپل‌ها است که هر یک از دو سیم فلزی با توان ترموالکتریک بالا و قطبیت‌های مخالف تشکیل شده‌اند.
توان ترموالکتریک معیاری از مقدار ولتاژی است که یک ماده در واحد تفاوت دما تولید می‌کند. سیم‌ها در دو اتصال به هم متصل می‌شوند، یکی گرم و دیگری سرد. اتصال‌های گرم در منطقه‌ای با دمای بالاتر و اتصال‌های سرد در منطقه‌ای با دمای پایین‌تر قرار می‌گیرند. تفاوت دما بین اتصال‌های 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 ضریب زیبک معروف است که به ولت بر کلوین (V/K) یا میلی‌ولت بر کلوین (mV/K) بیان می‌شود. ضریب زیبک به نوع و ترکیب فلزات استفاده شده در ترموکوپل‌ها بستگی دارد.
در نمودار زیر یک ترمپایل ساده با دو جفت ترموکوپل به صورت سری نشان داده شده است.
دو اتصال ترموکوپل بالایی در دمای T1 قرار دارند، در حالی که دو اتصال ترموکوپل پایینی در دمای T2 قرار دارند. ولتاژ خروجی 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 حرارت بین مناطق گرم و سرد را کاهش می‌دهد.
نمودار یک ترمپایل دماهای دیفرانسیل
T1
|\
| \
| \
| \
| \
| \ ΔV
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
------------------
مقاومت
حرارتی
لایه
------------------
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| / ΔV
| /
| /
| /
| /
| /
|/
T2
ترمپایل‌ها می‌توانند با بیش از دو جفت ترموکوپل ساخته شوند تا ولتاژ خروجی افزایش یابد.
ترمپایل‌ها می‌توانند به صورت موازی نیز متصل شوند، اما این کانفیگوراسیون کمتر رایج است زیرا جریان خروجی را افزایش می‌دهد و نه ولتاژ خروجی.
ترمپایل‌ها به دما مطلق پاسخ نمی‌دهند، بلکه فقط به تفاوت دما یا گرادیان‌های دما پاسخ می‌دهند.
بنابراین، آنها می‌توانند برای اندازه‌گیری جریان گرمایی که نرخ انتقال گرما بر واحد سطح است، استفاده شوند. جریان گرمایی می‌تواند با تقسیم ولتاژ خروجی بر مقاومت حرارتی و سطح دستگاه محاسبه شود.
ترمپایل‌ها از تابش پرتوی فروسرخ به عنوان وسیله‌ای برای انتقال گرما استفاده می‌کنند و برای اندازه‌گیری دما بدون تماس نیز استفاده می‌شوند.
تابش پرتوی فروسرخ تابش الکترومغناطیسی با طول موج بین ۷۰۰ نانومتر تا ۱ میلی‌متر است که معادل دمای بین ۳۰۰ کلوین تا ۵۰۰۰ کلوین است. هر شیء با دمای غیر صفر تابش پرتوی فروسرخ تولید می‌کند و می‌تواند توسط حسگر ترمپایل شناسایی شود.
نوع‌های حسگرهای ترمپایل
حسگر ترمپایل دستگاهی است که از یک یا چند ترمپایل برای اندازه‌گیری دما یا تابش پرتوی فروسرخ از یک شیء یا منبع استفاده می‌کند.
حسگرهای ترمپایل بر اساس اصول اندازه‌گیری بدون تماس طراحی شده‌اند و مزایای مختلفی نسبت به حسگرهای تماسی دارند، مانند دقت بیشتر، زمان پاسخ سریع‌تر، محدوده گسترده‌تر و نگهداری کمتر.
نوع‌های مختلفی از حسگرهای ترمپایل وجود دارد که به تعداد، کانفیگوراسیون و ماده ترموکوپل‌ها، همچنین طراحی جاذب پرتوی فروسرخ و فیلتر بستگی دارد. برخی از نوع‌های رایج حسگرهای ترمپایل عبارتند از:
حسگر ترمپایل تک‌عنصری: این نوع حسگر فقط یک ترمپایل با یک اتصال گرم و یک اتصال سرد دارد. اتصال گرم به یک جاذب پرتوی فروسرخ نازک متصل است، معمولاً یک ممبران میکرو ماشین‌سازی شده روی یک تراشه سیلیکونی. اتصال سرد به یک گیرنده گرما یا دمای مرجع متصل است. حسگر تفاوت دما بین اتصال‌های گرم و سرد را اندازه‌گیری می‌کند که متناسب با تابش پرتوی فروسرخ جذب شده توسط ممبران است. این نوع حسگر برای اندازه‌گیری سطوح پرتوی فروسرخ کم تا متوسط مناسب است و زمان پاسخ سریعی دارد.
حسگر ترمپایل چند‌عنصر
