Uma termopilha é um dispositivo que converte calor em eletricidade utilizando o efeito termoelétrico.

Ela consiste em vários termopares, que são pares de fios feitos de metais diferentes que geram uma tensão quando expostos a uma diferença de temperatura. Os termopares são conectados em série ou, às vezes, em paralelo para formar uma termopilha, que produz uma saída de tensão maior do que um único termopar. As termopilhas são usadas para várias aplicações, como medir temperatura, gerar energia e detectar radiação infravermelha.

Como Funciona uma Termopilha?

Uma termopilha funciona com base no princípio do efeito termoelétrico, que é a conversão direta de diferenças de temperatura em tensão elétrica e vice-versa. Este efeito foi descoberto por Thomas Seebeck em 1826, que observou que um circuito feito de dois metais diferentes produzia uma tensão quando uma junção era aquecida e a outra resfriada.

Uma termopilha é essencialmente uma série de termopares, cada um dos quais consiste em dois fios de metais diferentes com grande potência termoelétrica e polaridades opostas.

A potência termoelétrica é uma medida de quanto a tensão gerada por um material por unidade de diferença de temperatura. Os fios são unidos em duas juntas, uma quente e uma fria. As juntas quentes são colocadas em uma região com temperaturas mais altas, enquanto as juntas frias são colocadas em uma região com temperaturas mais baixas. A diferença de temperatura entre as juntas quentes e frias causa uma corrente elétrica a fluir pelo circuito, gerando uma saída de tensão.

A saída de tensão de uma termopilha é proporcional à diferença de temperatura no dispositivo e ao número de pares de termopares.

A constante de proporcionalidade é chamada de coeficiente Seebeck, que é expressa em volts por kelvin (V/K) ou milivolts por kelvin (mV/K). O coeficiente Seebeck depende do tipo e combinação de metais usados nos termopares.

O diagrama abaixo mostra uma termopilha simples com dois conjuntos de pares de termopares conectados em série.

As duas juntas superiores de termopar estão na temperatura T1, enquanto as duas juntas inferiores de termopar estão na temperatura T2. A tensão de saída da termopilha, ΔV, é diretamente proporcional à diferença de temperatura, ΔT ou T1 – T2, através da camada de resistência térmica e ao número de pares de termopares. A camada de resistência térmica é um material que reduz a transferência de calor entre as regiões quente e fria.

Diagrama de uma termopilha de temperatura diferencial

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Resistência
       Térmica
        Camada
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

As termopilhas também podem ser construídas com mais de dois conjuntos de pares de termopares para aumentar a saída de tensão.

As termopilhas também podem ser conectadas em paralelo, mas essa configuração é menos comum porque aumenta a corrente de saída em vez da tensão de saída.

As termopilhas não respondem à temperatura absoluta, mas apenas às diferenças de temperatura ou gradientes.

Portanto, elas podem ser usadas para medir fluxo de calor, que é a taxa de transferência de calor por unidade de área. O fluxo de calor pode ser calculado dividindo a saída de tensão pela resistência térmica e pela área do dispositivo.

As termopilhas utilizam a radiação infravermelha como meio de transferência de calor e também são usadas para medição de temperatura sem contato.

A radiação infravermelha é radiação eletromagnética com comprimentos de onda entre 700 nm e 1 mm, o que corresponde a temperaturas entre 300 K e 5000 K. A radiação infravermelha é emitida por qualquer objeto com temperatura não nula e pode ser detectada por um sensor de termopilha.

Tipos de Sensores de Termopilha

Um sensor de termopilha é um dispositivo que usa uma ou mais termopilhas para medir a temperatura ou a radiação infravermelha de um objeto ou fonte.

Os sensores de termopilha são baseados em princípios de medição sem contato e têm várias vantagens sobre sensores baseados em contato, como maior precisão, tempo de resposta mais rápido, faixa mais ampla e manutenção menor.

Existem diferentes tipos de sensores de termopilha, dependendo do número, configuração e material dos termopares, bem como do design do absorvedor de infravermelho e do filtro. Alguns dos tipos comuns de sensores de termopilha são:

• Sensor de termopilha de elemento único: Este tipo de sensor tem apenas uma termopilha com uma única junta quente e uma única junta fria. A junta quente está anexada a um absorvedor de infravermelho fino, geralmente uma membrana micro-mecanizada em um chip de silício. A junta fria está conectada a um dissipador de calor ou a uma temperatura de referência. O sensor mede a diferença de temperatura entre as juntas quente e fria, que é proporcional à radiação infravermelha absorvida pela membrana. Este tipo de sensor é adequado para medir níveis de radiação infravermelha baixos a moderados e tem um tempo de resposta rápido.

• Sensor de termopilha multi-elemento: Este tipo de sensor tem múltiplas termopilhas dispostas em paralelo ou em série. Cada termopilha tem suas próprias juntas quente e fria, que estão conectadas a um absorvedor de infravermelho comum e a um dissipador de calor comum. O sensor mede a soma das saídas de tensão de cada termopilha, que é proporcional à radiação infravermelha total absorvida pela membrana. Este tipo de sensor é adequado para medir níveis de radiação infravermelha altos e tem alta sensibilidade.

• Sensor de termopilha em matriz: Este tipo de sensor tem uma matriz de termopilhas dispostas em linhas e colunas em um substrato. Cada termopilha tem suas próprias juntas quente e fria, que estão conectadas a absorvedores de infravermelho individuais e dissipadores de calor. O sensor mede a saída de tensão de cada termopilha separadamente, que é proporcional à radiação infravermelha local absorvida por cada absorvedor. Este tipo de sensor pode criar uma imagem bidimensional da distribuição de radiação infravermelha e pode detectar a posição, forma e movimento de um objeto.

• Sensor de termopilha piroelétrico: Este tipo de sensor combina um material piroelétrico com uma termopilha. Um material piroelétrico é um material que gera uma carga elétrica quando aquecido ou resfriado. O material piroelétrico está anexado às juntas quentes das termopilhas, enquanto as juntas frias estão conectadas a um dissipador de calor. O sensor mede a saída de tensão das termopilhas mais a saída de carga do material piroelétrico, que é proporcional à taxa de mudança da radiação infravermelha absorvida pelo material. Este tipo de sensor pode detectar mudanças rápidas na rad