Termopila to urządzenie, które przekształca ciepło w energię elektryczną wykorzystując efekt termoelektryczny.

Składa się z kilku termopar, które są parami drutów wykonanych z różnych metali, generujących napięcie pod wpływem różnicy temperatur. Termopary są połączone szeregowo lub czasami równolegle, tworząc termopilę, która produkuje wyższe napięcie wyjściowe niż pojedyncza termopara. Termopile są używane w różnych zastosowaniach, takich jak pomiar temperatury, generowanie energii i wykrywanie promieniowania podczerwonego.

Jak działa termopila?

Termopila działa na zasadzie efektu termoelektrycznego, który polega na bezpośrednim przekształcaniu różnic temperatur w napięcie elektryczne i odwrotnie. Ten efekt został odkryty przez Thomasa Seebecka w 1826 roku, który zaobserwował, że obwód złożony z dwóch różnych metali produkował napięcie, gdy jedno z połączeń było nagrzane, a drugie ochłodzone.

Termopila to właściwie szereg termopar, każda z nich składa się z dwóch drutów z różnych metali o dużej mocy termoelektrycznej i przeciwstawnych polarności.

Moc termoelektryczna to miara napięcia, jakie materiał generuje na jednostkę różnicy temperatur. Druty są połączone w dwóch połączeniach, jednym gorącym i jednym zimnym. Połączenia gorące są umieszczone w regionie o wyższych temperaturach, podczas gdy połączenia zimne są umieszczone w regionie o niższych temperaturach. Różnica temperatur między połączeniami gorącymi i zimnymi powoduje, że prąd elektryczny przepływa przez obwód, generując napięcie wyjściowe.

Napięcie wyjściowe termopili jest proporcjonalne do różnicy temperatur w urządzeniu i liczby par termopar.

Stała proporcjonalności nazywana jest współczynnikiem Seebecka, który wyraża się w woltach na kelwin (V/K) lub milivolach na kelwin (mV/K). Współczynnik Seebecka zależy od rodzaju i kombinacji metali użytych w termoparach.

Poniższy diagram przedstawia prostą termopilę z dwoma zestawami par termopar połączonymi szeregowo.

Dwa górne połączenia termopar są w temperaturze T1, podczas gdy dwa dolne połączenia termopar są w temperaturze T2. Napięcie wyjściowe z termopili, ΔV, jest proporcjonalne do różnicy temperatur, ΔT lub T1 – T2, w warstwie oporu termicznego i liczbie par termopar. Warstwa oporu termicznego to materiał, który zmniejsza przepływ ciepła między obszarami gorącymi i zimnymi.

Diagram termopili różnicowej temperatury

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Opor termiczny
       Warstwa
        Opornik
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopile można również skonstruować z większą liczbą zestawów par termopar, aby zwiększyć napięcie wyjściowe.

Termopile można również połączyć równolegle, ale ta konfiguracja jest mniej popularna, ponieważ zwiększa ona prąd wyjściowy, a nie napięcie wyjściowe.

Termopile reagują tylko na różnice temperatur lub gradienty, a nie na temperaturę absolutną.

Dlatego mogą być używane do pomiaru strumienia ciepła, który to jest tempem przepływu ciepła na jednostkę powierzchni. Strumień ciepła można obliczyć, dzieląc napięcie wyjściowe przez opór termiczny i powierzchnię urządzenia.

Termopile wykorzystują promieniowanie podczerwone jako sposób przepływu ciepła i są również używane do pomiaru temperatury bez kontaktu.

Promieniowanie podczerwone to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal pomiędzy 700 nm a 1 mm, co odpowiada temperaturom od 300 K do 5000 K. Promieniowanie podczerwone emitowane jest przez każdy obiekt o niezerowej temperaturze i może być wykryte przez sensor termopilowy.

Rodzaje sensorów termopilowych

Sensor termopilowy to urządzenie, które używa jednej lub więcej termopil do pomiaru temperatury lub promieniowania podczerwonego od obiektu lub źródła.

Sensory termopilowe oparte są na zasadach pomiaru bezkontaktowego i mają różne zalety w porównaniu z sensorami dotykowymi, takie jak wyższa dokładność, szybszy czas reakcji, szerszy zakres i niższe koszty utrzymania.

Istnieje wiele rodzajów sensorów termopilowych, w zależności od liczby, konfiguracji i materiału termopar, oraz projektu absorbera promieniowania podczerwonego i filtra. Niektóre z powszechnych rodzajów sensorów termopilowych to:

• Jednoelementowy sensor termopilowy: Ten typ czujnika ma tylko jedną termopilę z jednym gorącym i jednym zimnym połączeniem. Gorące połączenie jest przyłączone do cienkiego absorbera promieniowania podczerwonego, zwykle mikromaszynowanego membranu na chipie krzemowym. Zimne połączenie jest połączone z chłodnicą lub temperaturą referencyjną. Czujnik mierzy różnicę temperatury między połączeniami gorącym i zimnym, która jest proporcjonalna do absorbowanego promieniowania podczerwonego przez membranę. Ten typ czujnika jest odpowiedni do pomiaru niskiego do średniego poziomu promieniowania podczerwonego i ma krótki czas reakcji.

• Wieloelementowy sensor termopilowy: Ten typ czujnika ma wiele termopil ułożonych równolegle lub szeregowo. Każda termopila ma własne połączenia gorące i zimne, które są połączone z wspólnym absorberem promieniowania podczerwonego i chłodnicą. Czujnik mierzy sumę napięć wyjściowych z każdej termopili, która jest proporcjonalna do całkowitego absorbowanego promieniowania podczerwonego przez membranę. Ten typ czujnika jest odpowiedni do pomiaru wysokiego poziomu promieniowania podczerwonego i ma wysoką wrażliwość.

• Tablicowy sensor termopilowy: Ten typ czujnika ma tablicę termopil ułożonych w wiersze i kolumny na podłożu. Każda termopila ma własne połączenia gorące i zimne, które są połączone z indywidualnymi absorberami promieniowania podczerwonego i chłodnicami. Czujnik mierzy napięcie wyjściowe z każdej termopili osobno, które jest proporcjonalne do lokalnego absorbowanego promieniowania podczerwonego przez każdy absorber. Ten typ czujnika może tworzyć dwuwymiarowy obraz rozkładu promieniowania