Termoelement: Uređaj koji pretvara toplinu u električnu energiju

Electrical4u

Polje: Osnovna elektrotehnika

China

Što je termopila

Termopila je uređaj koji pretvara toplinu u električnu energiju korištenjem termoelektričnog efekta.

Sastoji se od nekoliko termokupla, koje su parovi žica izrađene od različitih metala i koje generiraju napon kada su izloženi temperaturnoj razlici. Termokupli su povezane nizosno ili ponekad paralelno kako bi formirale termopilu, koja proizvodi veći napon izlaz od jednog termokupla. Termopile se koriste za razne primjene, poput mjerenja temperature, generiranja energije i otkrivanja infracrvene radijacije.

Kako radi termopila?

Termopila radi na principu termoelektričnog efekta, koji je direktna konverzija temperaturnih razlika u električni napon i obratno. Taj efekt otkrio je Thomas Seebeck 1826. godine, kada je uočio da krug sastavljen od dva različita metala proizvodi napon kada je jedna spajalica zagrijana, a druga hladna.

Termopila je u suštini serija termokupla, svaki od kojih sastoji se od dvije žice različitih metala s velikim termoelektričnim snaga i suprotnih polariteta.

Termoelektrična snaga je mjera koliko napona materijal generira po jedinici temperaturne razlike. Žice su spojene na dvije spajalice, jednu vruću i jednu hladnu. Vruće spajalice smještene su u regiji s višom temperaturom, dok su hladne spajalice smještene u regiji s nižom temperaturom. Temperaturna razlika između vrućih i hladnih spajalica uzrokuje električni struj koji teče kroz krug, generirajući naponski izlaz.

Naponski izlaz termopile proporcionalan je temperaturnoj razlici preko uređaja i broju parova termokupla.

Proporcionalni koeficijent zove se Seebeckov koeficijent, koji se izražava u voltima po kelvinu (V/K) ili milivoltim po kelvinu (mV/K). Seebeckov koeficijent ovisi o vrsti i kombinaciji metala korištenih u termokuplima.

Sljedeći dijagram prikazuje jednostavnu termopilu s dva skupa parova termokupla povezanih nizosno.

Dva gornja spajališta termokupla nalaze se na temperaturi T1, dok su dva donja spajališta termokupla na temperaturi T2. Izlazni napon iz termopile, ΔV, direktno proporcionalan je temperaturnoj razlici, ΔT ili T1 – T2, preko termičke otpornosti sloja i broju parova termokupla. Termički otporni sloj je materijal koji smanjuje prenos topline između vrućih i hladnih regija.

Dijagram diferencijalne temperaturne termopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Termička
       Otpornost
        Sloj
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopile mogu biti konstruirane s više od dva skupa parova termokupla kako bi se povećao naponski izlaz.

\begin{align*}V_{out} = S*(T_{x}-T_{ref})\end{align*}

Termopile mogu biti povezane i paralelno, ali ta konfiguracija je manje uobičajena jer povećava izlazni struja umjesto napona.

Termopile ne reagiraju na apsolutnu temperaturu, već samo na temperaturne razlike ili gradijente.

Stoga se mogu koristiti za mjerenje toplinske fluksije, što je stopa prenosa topline po jedinici površine. Toplinski fluks može se izračunati dijeljenjem naponskog izlaza s termičkom otpornošću i površinom uređaja.

Termopile koriste infracrvenu radijaciju kao sredstvo prenosa topline i koriste se za bezkontaktno mjerenje temperature.

\begin{align*}V_{out} = N*S*(T_{x}-T_{ref})\end{align*}

Infracrvena radiacija je elektromagnetska radiacija s valnim duljinama između 700 nm i 1 mm, što odgovara temperaturama između 300 K i 5000 K. Infracrvena radiacija emitirana je bilo kojim objektom s nenultom temperaturom i može se detektirati termopilom senzorom.

Vrste termopilskih senzora

Termopilski senzor je uređaj koji koristi jednu ili više termopila za mjerenje temperature ili infracrvene radijacije s objekta ili izvora.

Termopilski senzori temeljene su na principima bezkontaktnog mjerenja i imaju razne prednosti nad kontaktним сензорима, такођер на пример вишу тачност, брже време одговора, широки опсег и нижу одржавању.

Postoje različite vrste termopilskih senzora, ovisno o broju, konfiguraciji i materijalu termokupla, kao i o dizajnu infracrvenog apsorbera i filtra. Neke od uobičajenih vrsta termopilskih senzora su:

Jednelementni termopilski senzor: Ovaj tip senzora ima samo jednu termopilu s jednom vrućom spajalicom i jednom hladnom spajalicom. Vruća spajalica je pričvršćena na tanki infracrveni apsorber, obično mikroizrađenu membranu na silicijskoj čipu. Hladna spajalica je spojena na toplotni sink ili referentnu temperaturu. Senzor mjeri temperaturnu razliku između vruće i hladne spajalice, što je proporcionalno infracrvenoj radijaciji apsorbovana membranom. Ovaj tip senzora je pogodan za mjerenje niskih do srednjih razina infracrvene radijacije i ima brzo vrijeme odgovora.
Više-elementni termopilski senzor: Ovaj tip senzora ima više termopila raspoređenih paralelno ili nizosno. Svaka termopila ima svoje vruće i hladne spajalice, koje su spojene na zajednički infracrveni apsorber i zajednički toplotni sink. Senzor mjeri zbroj naponskih izlaza svake termopile, što je proporcionalno ukupnoj infracrvenoj radijaciji apsorbovanom membranom. Ovaj tip senzora je pogodan za mjerenje visokih razina infracrvene radijacije i ima visoku osjetljivost.