Ang thermopile ay isang aparato na nagsasalin ng init sa kuryente gamit ang epekto ng termoelektriko.

Ito ay binubuo ng maraming termokuplas, na mga pares ng wire na gawa sa iba't ibang metal na naglilikha ng boltyeh kapag sila ay nakalantad sa pagkakaiba ng temperatura. Ang mga termokuplas ay konektado sa serye o minsan parallel upang bumuo ng isang thermopile, na nagbibigay ng mas mataas na boltyeh output kaysa sa iisang termokupla. Ginagamit ang mga thermopile para sa iba't ibang aplikasyon, tulad ng pagsukat ng temperatura, paggawa ng lakas, at pag-detect ng infrared radiation.

Paano Gumagana ang Thermopile?

Gumagana ang thermopile batay sa prinsipyong termoelektriko, na ang direktang konbersyon ng pagkakaiba ng temperatura sa elektrikong boltyeh at vice versa. Natuklasan ito ni Thomas Seebeck noong 1826, na napansin na ang circuit na gawa sa dalawang iba't ibang metal ay naglabas ng boltyeh kapag ang isa sa mga junction ay inihain at ang iba ay pinahina.

Ang thermopile ay esensyal na isang serye ng termokuplas, bawat isa ay binubuo ng dalawang wire na may malaking termoelektrikong lakas at magkasalungat na polaridad.

Ang termoelektrikong lakas ay isang sukat kung gaano karaming boltyeh ang ginagawa ng materyal bawat unit ng pagkakaiba ng temperatura. Ang mga wire ay pinagsama sa dalawang junction, isang mainit at isang malamig. Ang mga mainit na junction ay inilalagay sa rehiyon na may mas mataas na temperatura, samantalang ang mga malamig na junction ay inilalagay sa rehiyon na may mas mababang temperatura. Ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mainit at malamig na junctions ay nagdudulot ng elektrikong kasagutan na lumilipad sa circuit, na nagbibigay ng boltyeh output.

Ang boltyeh output ng thermopile ay proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura sa paligid ng aparato at ang bilang ng pares ng termokupla.

Ang konstante ng proporsyon ay tinatawag na Seebeck coefficient, na ipinapakita sa volts per kelvin (V/K) o millivolts per kelvin (mV/K). Ang Seebeck coefficient ay depende sa uri at kombinasyon ng mga metal na ginamit sa termokuplas.

Ang diagrama sa ibaba ay nagpapakita ng isang simple thermopile na may dalawang set ng pares ng termokupla na konektado sa serye.

Ang dalawang itaas na termokupla junctions ay nasa temperatura T1, samantalang ang dalawang ibaba na termokupla junctions ay nasa temperatura T2. Ang output voltage mula sa thermopile, ΔV, ay direktang proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura, ΔT o T1 – T2, sa thermal resistance layer at ang bilang ng pares ng termokupla. Ang thermal resistance layer ay isang materyal na nagbabawas ng heat transfer sa pagitan ng mainit at malamig na rehiyon.

Diagrama ng differential temperature thermopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Thermal
       Resistance
        Layer
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Maaari rin ang mga thermopiles na maipagtayo ng higit sa dalawang set ng pares ng termokupla upang tanggapin ang mas mataas na boltyeh output.

Maaari ring ikonekta ang mga thermopiles sa parallel, ngunit hindi ito kadalasang ginagawa dahil ito ay nagpapataas ng kasagutan output kaysa sa boltyeh output.

Hindi sumasagot ang mga thermopiles sa absolute temperature, kundi lamang sa pagkakaiba ng temperatura o gradient.

Dahil dito, maaari silang gamitin upang sukatin ang heat flux, na ang rate ng heat transfer per unit area. Ang heat flux ay maaaring makalkula sa pamamagitan ng paghati ng boltyeh output sa thermal resistance at ang area ng aparato.

Ginagamit ng mga thermopiles ang infrared radiation bilang isang paraan ng heat transfer at ginagamit din ito para sa non-contact temperature measurement.

Ang infrared radiation ay electromagnetic radiation na may wavelengths sa pagitan ng 700 nm at 1 mm, na tumutugon sa temperatura sa pagitan ng 300 K at 5000 K. Iniradiate ng anumang bagay na may nonzero na temperatura at maaaring maidetekta ng isang thermopile sensor.

Uri ng Thermopile Sensors

Ang thermopile sensor ay isang aparato na gumagamit ng isang o higit pang thermopiles upang sukatin ang temperatura o infrared radiation mula sa isang bagay o source.

Batay ang mga thermopile sensors sa mga prinsipyo ng non-contact measurement at may iba't ibang mga abala sa contact-based sensors, tulad ng mas mataas na katumpakan, mas mabilis na response time, mas malawak na saklaw, at mas mababang maintenance.

Mayroong iba't ibang uri ng thermopile sensors, depende sa bilang, configuration, at materyal ng mga termokuplas, pati na rin sa disenyo ng infrared absorber at filter. Ang ilan sa mga karaniwang uri ng thermopile sensors ay:

• Single-element thermopile sensor: Ang uri ng sensor na ito ay may isang lang thermopile na may isang hot junction at isang cold junction. Ang hot junction ay nakalakip sa isang thin infrared absorber, kadalasang isang micro-machined membrane sa isang silicon chip. Ang cold junction ay konektado sa isang heat sink o isang reference temperature. Ang sensor ay sumusukat ng pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng hot at cold junctions, na proporsyonal sa infrared radiation na inabsorb ng membrane. Ang uri ng sensor na ito ay angkop para sa pagsukat ng mababa hanggang medium na infrared radiation levels at may mabilis na response time.

• Multi-element thermopile sensor: Ang uri ng sensor na ito ay may maraming thermopiles na nakaarrange sa parallel o sa serye. Bawat thermopile ay may sarili nitong hot at cold junctions, na konektado sa isang common infrared absorber at isang common heat sink. Ang sensor ay sumusukat ng suma ng boltyeh outputs mula sa bawat thermopile, na proporsyonal sa kabuuang infrared radiation na inabsorb ng membrane. Ang uri ng sensor na ito ay angkop para sa pagsukat ng mataas na infrared radiation levels at may mataas na sensitivity.

• Array thermopile sensor: Ang uri ng sensor na ito ay may isang array ng thermopiles na nakaarrange sa rows at columns sa isang substrate. Bawat thermopile ay may sarili nitong hot at cold junctions, na konektado sa individual infrared absorbers at heat sinks. Ang sensor ay sumusukat ng boltyeh output mula sa bawat thermopile nang hiwalay, na proporsyonal