Termoelement: En enhet som konverterer varme til elektrisitet
En termohæle er et enhet som konverterer varme til elektrisitet ved å bruke termoelektrisk effekt.
Den består av flere termokobler, som er par av ledninger laget av forskjellige metall som genererer en spenning når de utsattes for en temperaturforskjell. Termokoblene er koblet i serie eller noen ganger parallelt for å danne en termohæle, som produserer en høyere spenning utgang enn en enkelt termokoble. Termohæler brukes for ulike applikasjoner, slik som måling av temperatur, generering av strøm, og deteksjon av infrarødt stråling.
Hvordan fungerer en termohæle?
En termohæle fungerer på prinsippet om termoelektrisk effekt, som er den direkte konverteringen av temperaturforskjeller til elektrisk spenning og vice versa. Denne effekten ble oppdaget av Thomas Seebeck i 1826, som observerte at en krets laget av to forskjellige metaller produserte en spenning når en forbindelse ble opptatt og den andre ble kjølt ned.
En termohæle er essensielt en rekke termokobler, hver av dem består av to ledninger av forskjellige metaller med stor termoelektrisk effekt og motsatte polariteter.
Termoelektrisk effekt er et mål på hvor mye spenning et materiale genererer per enhet temperaturforskjell. Ledningene er forbundet ved to forbindelser, en varm og en kald. De varme forbindelsene er plassert i et område med høyere temperatur, mens de kalde forbindelsene er plassert i et område med lavere temperatur. Temperaturforskjellen mellom de varme og kalde forbindelsene fører til at en elektrisk strøm flyter gjennom kretsen, og genererer en spenning utgang.
Spenningen fra en termohæle er proporsjonal med temperaturforskjellen over enheten og antallet av termokoblepar.
Proporsjonalitetskonstanten kalles Seebeck-koeffisienten, som uttrykkes i volt per kelvin (V/K) eller millivolt per kelvin (mV/K). Seebeck-koeffisienten avhenger av typen og kombinasjonen av metaller som brukes i termokoblene.
Diagrammet nedenfor viser en enkel termohæle med to sett av termokoblepar koblet i serie.
De to øverste termokobleforbindelsene er ved temperatur T1, mens de to nederste termokobleforbindelsene er ved temperatur T2. Utgangsspenningen fra termohælen, ΔV, er direkte proporsjonal med temperaturforskjellen, ΔT eller T1 – T2, over den termiske motstandslag og antallet av termokoblepar. Det termiske motstandslaget er et materiale som reduserer varmetransferen mellom de varme og kalde regionene.
Diagram av en differensialtemperatur termohæle
T1
|\
| \
| \
| \
| \
| \ ΔV
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
------------------
Termisk
Motstands
Lag
------------------
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| / ΔV
| /
| /
| /
| /
| /
|/
T2
Termohæler kan også bygges med mer enn to sett av termokoblepar for å øke spenningen utgang.
Termohæler kan kobles parallelt også, men denne konfigurasjonen er mindre vanlig fordi den øker strøm utgang snarere enn spenning utgang.
Termohæler reagerer ikke på absolutt temperatur, men bare på temperaturforskjeller eller gradienter.
Derfor kan de brukes til å måle varmeflux, som er hastigheten for varmetransfer per enhet areal. Varmeflux kan beregnes ved å dele spenning utgang med den termiske motstanden og arealet av enheten.
Termohæler bruker infrarødt stråling som et middel for varmetransfer og brukes også for kontaktfri temperaturmåling.
Infrarødt stråling er elektromagnetisk stråling med bølgelengder mellom 700 nm og 1 mm, som tilsvarer temperaturer mellom 300 K og 5000 K. Infrarødt stråling sendes ut av ethvert objekt med en ikkenull temperatur og kan detektes av en termohæle sensor.
Typer termohæle sensorer
En termohæle sensor er en enhet som bruker en eller flere termohæler for å måle temperatur eller infrarødt stråling fra et objekt eller en kilde.
Termohæle sensorer er basert på kontaktfrie målingsprinsipper og har flere fordeler sammenlignet med kontaktbaserte sensorer, som høyere nøyaktighet, raskere respons tid, bredere rekkevidde, og lavere vedlikehold.
Det finnes forskjellige typer termohæle sensorer, avhengig av antall, konfigurasjon, og materiale av termokoblene, samt designet av infrarødt absorberende lag og filter. Noen av de vanlige typene termohæle sensorer er:
Enkelt-element termohæle sensor: Denne typen sensor har bare én termohæle med en enkelt varm forbindelse og en enkelt kald forbindelse. Den varme forbindelsen er festet til et tynt infrarødt absorberende lag, vanligvis en mikromekanisk membran på en silisiumchip. Den kalde forbindelsen er koblet til en varmesink eller en referanse temperatur. Sensoren måler temperaturforskjellen mellom de varme og kalde forbindelsene, som er proporsjonal med infrarødt stråling absorbert av membranen. Denne typen sensor er egnet for å måle lav til medium infrarødt stråling og har rask respons tid.
Flere-element termohæle sensor: Denne typen sensor har flere termohæler arrangert i parallelle eller i serie. Hver termohæle har sine egne varme og kalde forbindelser, som er koblet til en felles infrarødt absorberende lag og en felles varmesink. Sensoren måler summen av spenning utgangene fra hver termohæle, som er proporsjonal med totalen av infrarødt stråling absorbert av membranen. Denne typen sensor er egnet for å måle høy infrarødt stråling og har høy sensitivitet.
Matrise termohæle sensor: Denne typen sensor har en matrise av termohæler arrangert i rekker og kolonner på en substrat. Hver termohæle har sine egne varme og kalde forbindelser, som er koblet til individuelle infrarødt absorberende lag og varmesinker. Sensoren måler spenning utgangen fra hver termohæle separat, som er proporsjonal med lokal infrarødt stråling absorbert av hvert absorberende lag. Denne typen sensor kan skape et todimensjonalt bilde av infrarødt stråling distribusjon og kan detektere posisjon, form, og bevegelse av et objekt.
