Termopila on laite, joka muuttaa lämmön sähköksi käyttäen termoelektrista vaikutusta.

Se koostuu useista termoparistoista, jotka ovat eri metallien parit, jotka tuottavat jännitteen, kun ne altistuvat lämpötilaerolle. Termoparit yhdistetään sarjassa tai joskus rinnakkaan muodostaakseen termopilan, joka tuottaa suuremman jännitteen kuin yksittäinen termopari. Termopiloja käytetään monissa sovelluksissa, kuten lämpötilan mittaamiseen, sähkön tuotantoon ja infrapunasäteilyn havaitsemiseen.

Miten termopila toimii?

Termopila toimii termoelektrisen vaikutuksen periaatteella, joka on lämpötilaeron suora muuntaminen sähköjännitteeksi ja päinvastoin. Tämän vaikutuksen löysi Thomas Seebeck vuonna 1826, jolloin hän huomasi, että kahden eri metallin piiri tuotti jännitteen, kun yksi liitos lämmitti ja toinen jäätyi.

Termopila on periaatteessa termoparistojen sarja, joista kukin koostuu kahdesta eri metallista valmistetusta vedestä, joilla on suuri termoelektrinen voima ja vastakkaiset polariteetit.

Termoelektrinen voima on mittari, joka ilmaisee, kuinka paljon jännitettä materiaali tuottaa yksikkölämpötilaeron kohdalla. Vedet yhdistetään kahdelle liitokselle, toiselle kuumalle ja toiselle kylmälle. Kuumat liitokset sijoitetaan alueelle, jossa on korkeampi lämpötila, kun taas kylmät liitokset sijoitetaan alueelle, jossa on matalampi lämpötila. Lämpötilaero kuuman ja kylmän liitoksen välillä aiheuttaa sähkövirtauksen virtaamaan piirin kautta, mikä tuottaa jännitteen.

Termopilan jännitteen ulospano on verrannollinen laitteen läpi kulkevaan lämpötilaeroon ja termopariparien määrään.

Verrannollisuuskerroin on nimeltään Seebeckin kerroin, joka ilmaistaan voltteina per kelvin (V/K) tai millivoltteina per kelvin (mV/K). Seebeckin kerroin riippuu käytettyjen metallien tyypistä ja yhdistelmästä termopareissa.

Alla oleva kaavio näyttää yksinkertaisen termopilan, jossa on kaksi termopariparia yhdistetty sarjassa.

Kaksi ylempää termopariliitosta ovat lämpötilassa T1, kun taas kaksi alempaa termopariliitosta ovat lämpötilassa T2. Termopilan ulospano, ΔV, on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon, ΔT tai T1 – T2, lämpövastuskerroksen yli ja termopariparien määrään. Lämpövastuskerros on materiaali, joka vähentää lämpöenergian siirtymistä kuumasta ja kylmästä alueesta.

Erilaisen lämpötilan termopilan kaavio

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Lämpövastus
       kerros
        Layer
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopiloja voidaan myös rakentaa useammalla kuin kahdella termopariparien sarjalla lisätäksä jännitteen ulospanoa.

Termopiloja voidaan yhdistää myös rinnakkaan, mutta tämä konfiguraatio on harvinaisempi, koska se lisää virtauksen ulospanoa eikä jännitteen ulospanoa.

Termopilit eivät reagoi absoluuttiseen lämpötilaan, vaan vain lämpötilaeroihin tai -gradienteihin.

Siksi niitä voidaan käyttää lämpövirran mittaamiseen, joka on lämpöenergian siirtyminen yksikköpinta-alaa kohden. Lämpövirta lasketaan jakamalla jännitteen ulospano lämpövastuksella ja laitteen pinta-alalla.

Termopilit käyttävät infrapunaradiaatiota lämpöenergian siirtymiskeinona ja käytetään myös kosketuksettomana lämpötilanmittarina.

Infrapunaradiat