Hőtömb: Egy eszköz, ami hőt átalakít elektromossággá
A termopila egy eszköz, amely hőt átalakít elektromos energiává a termoelektrikus hatás felhasználásával.
Ez több termopár-ból áll, amelyek különböző fémekből készült drótpárok, amelyek hőmérsékletkülönbség esetén feszültséget generálnak. A termopárokat sorban vagy néha párhuzamosan kötik össze, hogy egy termopilát alkossanak, ami nagyobb feszültséget ad, mint egyetlen termopár. A termopilákat számos alkalmazásban használják, például hőmérséklet mérésekor, energia-termeléshez és infravörös sugárzás érzékelésére.
Hogyan működik a termopila?
A termopila az a termoelektrikus hatás alapján működik, amely közvetlenül hőmérsékletkülönbségeket átalakít elektromos feszültséggé, és fordítva is. Ezt a hatást Thomas Seebeck fedezte fel 1826-ban, aki megfigyelte, hogy két különböző fémekből készült áramkör feszültséget produkált, ha az egyik csomópontot melegítették, a másikat pedig hűtötték.
A termopila lényegében egy sor termopárból áll, amelyek mindegyike két különböző fém drótjából készült, amelyek nagy termoelektrikus erővel és ellentétes polaritással rendelkeznek.
A termoelektrikus erő azt méri, hogy egy anyag mennyi feszültséget generál egység hőmérsékletkülönbségenként. A drótok két csomóponton vannak összekötve, egy forró és egy hideg. A forró csomópontokat magasabb hőmérsékletű régióba helyezik, míg a hideg csomópontokat alacsonyabb hőmérsékletű régióba. A forró és a hideg csomópontok közötti hőmérsékletkülönbség elektromos áramot indít el az áramkörben, ami feszültségkimenetet generál.
A termopila feszültségkimenete arányos a készülékön keresztüli hőmérsékletkülönbséggel és a termopár párok számával.
Az arányossági konstans a Seebeck-együttható, amely volt/kelvin (V/K) vagy millivolt/kelvin (mV/K) egységekben fejezhető ki. A Seebeck-együttható attól függ, hogy milyen fémekből készültek a termopárok.
Az alábbi ábra egy egyszerű termopilát mutat két termopár pár soros kapcsolattal.
A két felső termopár csomópontja T1 hőmérsékleten van, míg a két alsó termopár csomópontja T2 hőmérsékleten. A termopila kimeneti feszültsége, ΔV, közvetlenül arányos a hőmérsékletkülönbséggel, ΔT vagy T1 – T2, a hővezetési ellenállás rétegen és a termopár párok számán. A hővezetési ellenállás réteg olyan anyag, ami csökkenti a hőátadást a forró és a hideg régiók között.
Differenciális hőmérsékletű termopila rajz
T1
|\
| \
| \
| \
| \
| \ ΔV
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
------------------
Hővezetési
Ellenállás
Réteg
------------------
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| / ΔV
| /
| /
| /
| /
| /
|/
T2
A termopilákat több, mint két termopár párrel is lehet készíteni, hogy növeljék a feszültségkimenetet.
A termopilákat párhuzamosan is lehet összekötni, de ez a konfiguráció kevésbé gyakori, mert növeli az áramkimenetet, nem a feszültségkimenetet.
A termopilák nem reagálnak abszolút hőmérsékletekre, csak hőmérsékletkülönbségekre vagy gradiensre.
Ezért használhatók a hőáram mérésére, ami a hőátadás sebessége egység területre. A hőáramot úgy számolhatjuk, hogy a feszültségkimenetet osztjuk a hővezetési ellenállással és a készülék területével.
A termopilák infravörös sugárzást használnak hőátadási módszerként, és használhatók kontaktmentes hőmérsékletmérésre is.
Az infravörös sugárzás elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza 700 nm és 1 mm között van, ami 300 K és 5000 K közötti hőmérsékletekhez tartozik. Bármilyen objektum, aminek nem nulla a hőmérséklete, infravörös sugárzást ad ki, amit egy termopila érzékelő képes detektálni.
Termopila érzékelők típusai
A termopila érzékelő egy eszköz, amely egy vagy több termopilát használ, hogy hőmérsékletet vagy infravörös sugárzást mérjen egy objektumból vagy forrásból.
A termopila érzékelők a kontaktmentes mérési elv alapján működnek, és számos előnnyel bírnak a kontakt-alapú érzékelőkkel szemben, például magasabb pontossággal, gyorsabb válaszidővel, szélesebb skálával és alacsonyabb karbantartással.
Különböző típusú termopila érzékelők léteznek, attól függően, hogy hány, hogyan és milyen anyagból készültek a termopárok, valamint az infravörös sugárzás absorber és a szűrő tervezése. Néhány gyakori termopila érzékelő típusa:
Egyszerűs termopila érzékelő: Ez a típusú érzékelő csak egy termopilát tartalmaz, amelynek egy forró és egy hideg csomópontja van. A forró csomópont egy vékony infravörös sugárzás-absorberhez van csatlakoztatva, általában egy mikro-machinált membránra silícium chipen. A hideg csomópont egy hőtár-hoz vagy referenciához van csatlakoztatva. Az érzékelő a forró és a hideg csomópontok közötti hőmérsékletkülönbséget méri, ami arányos az infravörös sugárzással, amit a membrán absorbiózza. Ez a típusú érzékelő alkalmas alacsony és közepes infravörös sugárzás mérésére, és gyors válaszidővel rendelkezik.
