Termopīle ir ierīce, kas pārveido siltumu elektrībā, izmantojot termoelektriskā efekta principu.

Tā sastāv no vairākiem termokopļiem, kas ir metāla dzērienu pāri, kas ģenerē spriegumu, kad tiek izpostīts temperatūras atšķirības. Termokopļi ir savienoti sērijā vai dažreiz paralēli, lai veidotu termopīli, kas ģenerē lielāku sprieguma iznākumu nekā viens termokoplis. Termopīles tiek izmantotas dažādās lietojumos, piemēram, temperatūras mērīšanai, enerģijas ražošanai un infrasarkano starojumu uztveršanai.

Kā Darbojas Termopīle?

Termopīle darbojas, balstoties uz termoelektrisko efektu, kas ir temperatūras atšķirību tieša pārveidošana elektriskajā spriegumā un otrādi. Šo efektu atklāja Tomas Seebeks 1826. gadā, kurš novēroja, ka kontaktpunktu apgrieztie temperatūras mainījumi divu dažādu metālu sistēmā radīja spriegumu.

Termopīle ir būtībā termokopļu virkne, katra no kuriem sastāv no diviem dažādu metālu drātniem ar lielu termoelektrisko jaudu un pretējiem polāritātes zīmēm.

Termoelektriskā jauda ir materiāla ģenerējamā sprieguma mērs vienībai temperatūras atšķirībai. Drāti ir savienoti divos punktos, vienā karstā un vienā aukstā. Karstie punkti tiek novietoti augstākas temperatūras reģionā, bet aukstie punkti - zemākas temperatūras reģionā. Temperatūras atšķirība starp karstu un aukstu punktiem izraisa elektrisku strāvu caur shēmu, ģenerējot sprieguma iznākumu.

Termopīles sprieguma iznākums ir proporcionāls temperatūras atšķirībai, kas ir šķīrņa malā, un termokopļu pāru skaitam.

Proporcionalitātes konstante sauc par Seebeck koeficientu, kas izteikts voltos uz kelvinu (V/K) vai milivoltos uz kelvinu (mV/K). Seebeck koeficients atkarīgs no termokopļu metālu tipa un kombinācijas.

Zemāk redzamā diagramma parāda vienkāršu termopīli ar diviem termokopļu pāriem, kas savienoti sērijā.

Divi augšējie termokopļu punkti atrodas temperatūrā T1, savukārt divi apakšējie termokopļu punkti atrodas temperatūrā T2. Termopīles iznākuma spriegums ΔV ir tieši proporcionāls temperatūras atšķirībai, ΔT vai T1 – T2, termiskā pretestības slāņa un termokopļu pāru skaitam. Termiskais pretestības slānis ir materiāls, kas samazina siltuma pārnesešanos starp karstu un aukstu reģioniem.

Diagramma par temperatūras atšķirības termopīli

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Termiskā
       Pretestība
        Slānis
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopīles var tikt konstruētas ar vairāk nekā diviem termokopļu pāriem, lai palielinātu sprieguma iznākumu.

Termopīles var tikt savienotas paralēli, bet šī konfigurācija ir mazāk izplatīta, jo tā palielina strāvas iznākumu, nevis sprieguma iznākumu.

Termopīles nereaģē uz absolūto temperatūru, bet tikai uz temperatūras atšķirībām vai gradientiem.

Tāpēc tos var izmantot, lai mērītu siltuma plūsmu, kas ir siltuma pārnesešanas ātrums vienībai laukumam. Siltuma plūsma var tikt aprēķināta, dalot sprieguma iznākumu ar termisko pretestību un ierīces laukumu.

Termopīles izmanto infrasarkano starojumu kā siltuma pārnesešanas veidu un tās tiek izmantotas arī bezkontaktu temperatūras mērīšanai.

Infrasarkans starojums ir elektromagnētisks starojums ar garumiem starp 700 nm un 1 mm, kas atbilst temperatūrām starp 300 K un 5000 K. Infrasarkans starojums tiek emēts jebkurā objektā ar nenulles temperatūru un to var uztvert ar termopīles sensoru.

Termopīles Sensoru Veidi

Termopīles sensors ir ierīce, kas izmanto vienu vai vairākus termopīles, lai mērītu temperatūru vai infrasarkanu starojumu no objekta vai avota.

Termopīles sensori balstās uz bezkontaktu mērījumu principiem un ir labāki nekā kontaktā basēti sensori, piemēram, ar augstāku precizitāti, ātrāku atbildes laiku, plašāku diapazonu un zemāku uzturēšanas izmaksām.

Ir dažādi termopīles sensoru veidi, atkarībā no termokopļu skaita, konfigurācijas un materiāla, kā arī infrasarkanu absorbera un filtra dizaina. Daži no visbiežāk sastopamiem termopīles sensoru veidiem ir:

• Vienā elementā esošs termopīles sensors: Šis veids no sensora satur tikai vienu termopīli ar vienu karstu un vienu aukstu punktu. Karsts punkts ir piesaistīts dūnu infrasarkanu absorberim, parasti mikromehāniskam membrānam uz silīcija čipa. Auksts punkts ir savienots ar siltuma sinku vai referenci. Sensors mēra temperatūras atšķirību starp karstu un aukstu punktiem, kas ir proporcionāla infrasarkanam starojumam, kas tiek absorbēts membrāna. Šis veids no sensora ir piemērots mērīšanai lēnas līdz vidējas infrasarkanu starojumu līmeņus un ir ar ātru atbildes laiku.

• Vairāk elementu esošs termopīles sensors: Šis veids no sensora satur vairākas termopīles, kas ir sakārtotas paralēli vai sērijā. Katra termopīle ir savs karsts un auksts punkts, kas