תרמופיל הוא מכשיר הממיר חום לחשמל באמצעות אפקט תרמו-אלקטרי.

הוא מורכב ממספר תרמוקופלים, שהם זוגות של חוטים עשויה מתכות שונות שמייצרות מתח כאשר הם נחשפים להבדל טמפרטורות. התרמוקופלים מחוברים בטור או לפעמים מקבילים כדי ליצור תרמופיל, שמפיק מתח גבוה יותר מאשר תרמוקופל בודד. תרמופילים משמשים למגוון יישומים, כגון מדידת טמפרטורה, יצירה של אנרגיה והגדרת קרינת אינפרא אדום.

איך פועל תרמופיל?

תרמופיל פועל על פי עקרון האפקט התרמו-אלקטרי, שהוא המרה ישירה של הבדלי טמפרטורה למתח חשמלי ולהיפך. אפקט זה התגלה על ידי תומאס זיבק בשנת 1826, שאבחן כי מעגל עשוי משתי מתכות שונות מייצר מתח כאשר אחת מהנקודות מחוברת חם ואחרת קר.

תרמופיל הוא essenatially סדרה של תרמוקופלים, כל אחד מהם מורכב משני חוטים של מתכות שונות עם כוח תרמו-אלקטרי גדול ופולריות הפוכה.

כוח תרמו-אלקטרי הוא מדד כמה מתח גורמת החומר לכל הפרש טמפרטורה יחידה. החוטים מתחברים בשתי נקודות, אחת חמה ואחת קרה. נקודות החום מוצבות באזור בעל טמפרטורות גבוהות יותר, בעוד נקודות הקרינה מוצבות באזור בעל טמפרטורות נמוכות יותר. ההבדל בטמפרטורה בין נקודות החום והקר מפעיל זרם חשמלי לזרום דרך המעגל, ומפיק מתח פלט.

מתח הפלט של תרמופיל הוא פרופורציונלי להבדל הטמפרטורה לאורך המכשיר ומספר הזוגות של תרמוקופלים.

הקבוע הפרופורציונלי נקרא מקדם הסיבק, הנמדד במיליוולט לקלווין (mV/K). מקדם הסיבק תלוי בסוג והשילוב של המתכות המשמשות בתרמוקופלים.

התרשים שלהלן מציג תרמופיל פשוט עם שני זוגות של תרמוקופלים המחוברים בטור.

שני הצמתים העליונים של התרמוקופלים הם בטמפרטורה T1, בעוד שני הצמתים התחתונים של התרמוקופלים הם בטמפרטורה T2. מתח הפלט מהתרמופיל, ΔV, הוא פרופורציונלי להבדל הטמפרטורה, ΔT או T1 – T2, לאורך שכבה של התנגדות תרמית ושכבה זו היא חומר המפחית את העברת החום בין האזורים החמים והקרים.

תרשים של תרמופיל להבדלי טמפרטורה

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        שכבת
       התנגדות תרמית
        שכבת
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

ניתן לבנות תרמופילים עם יותר משני זוגות של תרמוקופלים כדי להגביר את מתח הפלט.

ניתן לחבר תרמופילים גם במקביל, אך תצורה זו פחות נפוצה כי היא מגבירה את הפלט של הזרם ולא את מתח הפלט.

תרמופילים אינם מגיבים לטמפרטורה מוחלטת, אלא רק להבדלי טמפרטורה או צפיפות טמפרטורה.

לכן, ניתן להשתמש בהם למדוד שטף חום, שהוא קצב העברת החום לשטח יחידה. שטף חום יכול להיות מחושב על ידי חלוקת מתח הפלט בתנגדות תרמית ובשטח המכשיר.

תרמופילים משתמשים באינפרא אדום כאמצעי העברת חום ונמצאים גם בשימוש למדידת טמפרטורה ללא מגע.

אינפרא אדום הוא קרינה אלקטרומגנטית עם אורכי גל בין 700 ננומטר ל-1 מילימטר, המקבילים לטמפרטורות בין 300 K ל-5000 K. אינפרא אדום מוקרן על ידי כל עצם בטמפרטורה לא אפסית ויכולה להתגלות על ידי חיישן תרמופיל.

סוגי חיישני תרמופיל

חיישן תרמופיל הוא מכשיר המשתמש בתרמופילים אחדים למדידת טמפרטורה או קרינת אינפרא אדום מאובייקט או מקור.

חיישני תרמופיל מבוססים על עקרונות מדידה ללא מגע ויש להם יתרונות שונים על פני חיישנים מבוססי מגע, כגון דיוק גבוה יותר, זמן תגובה מהיר יותר, טווח רחב יותר ותחזוקה נמוכה יותר.

ישנם סוגים שונים של חיישני תרמופיל, בהתאם למספר, לתצורת ולחומרים של התרמוקופלים, כמו גם לעיצוב של ספיגת האינפרא אדום והמסנן. חלק מהסוגים הנפוצים של חיישני תרמופיל הם:

• חיישן תרמופיל חד-אלמנטי: סוג זה של חיישן כולל רק תרמופיל אחד עם צומת חם אחד וצומת קר אחד. הצומת החם מחובר לשכבת ספיגה דקה של אינפרא אדום, בדרך כלל ממברנה מיקרו-מכאנית על שבב סיליקון. הצומת הקר מחובר למאגר חום או לטמפרטורה מرجعית. החיישן מודד את ההבדל בטמפרטורה בין הצמתים החם והקר, שהוא פרופורציונלי לקרינת האינפרא אדום שהספיגה. סוג זה של חיישן מתאים למדידת רמות נמוכות עד בינוניות של קרינת אינפרא אדום ולו זמן תגובה מהיר.

• חיישן תרמופיל רב-אלמנטי: סוג זה של חיישן כולל מספר תרמופילים מסודרים במקביל או בטור. לכל תרמופיל יש צומת חם וצומת קר משלה, המחוברים לספיגת אינפרא אדום משותפת ומאגר חום משותף. החיישן מודד את סכום מתחי הפלט מכל תרמופיל, שהוא פרופורציונלי לספיגת האינפרא אדום הכוללת. סוג זה של חיישן מתאים למדידת רמות גבוהות של קרינת אינפרא אדום ולו רגישות גבוהה.

• חיישן תרמופיל מערך: סוג זה של חיישן כולל מערך של תרמופילים מסודרים בשורות ועמודות על בסיס. לכל תרמופיל יש צומת חם וצומת קר משלה, המחוברים לספיגת אינפרא אדום ומאגר חום אישי. החיישן מודד את מתח הפלט מכל תרמופיל בנפרד, שהוא פרופורציונלי לספיגת האינפרא אדום המקומית. סוג זה של חיישן יכול ליצור תמונה דו-ממדית של התפלגות קרינת האינפרא אדום ויכולה לזהות את המיקום, הצורה והתנועה של אובייקט.

• חיישן תרמופיל פירו-אלקטרי: סוג זה של חיישן משלב חומר פירו-אלקטרי עם תרמופיל. חומר פירו-אלקטרי הוא חומר שמייצר מטען חשמלי כאשר הוא מת erwärmt oder abgekühlt wird. Das pyroelektrische Material ist an den heißen Verbindungen der Thermopiles angebracht, während die kalten Verbindungen an einen Wärmeableiter angeschlossen sind. Der Sensor misst das Spannungs-Ausgangssignal der Thermopiles plus das Ladungsausgangssignal des py