Термопара — это устройство, преобразующее тепло в электричество с использованием термоэлектрического эффекта.

Она состоит из нескольких термопар, которые представляют собой пары проводов, изготовленных из различных металлов, генерирующих напряжение при воздействии разности температур. Термопары соединяются последовательно или иногда параллельно, чтобы образовать термопилу, которая производит более высокое напряжение, чем одна термопара. Термопилы используются для различных применений, таких как измерение температуры, генерация энергии и обнаружение инфракрасного излучения.

Как работает термопила?

Термопила работает на принципе термоэлектрического эффекта, который представляет собой прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение и наоборот. Этот эффект был открыт Томасом Зеебеком в 1826 году, который заметил, что цепь, состоящая из двух разных металлов, генерировала напряжение, когда один узел нагревался, а другой охлаждался.

Термопила по сути является серией термопар, каждая из которых состоит из двух проводов из разных металлов с большим термоэлектрическим потенциалом и противоположными полярностями.

Термоэлектрический потенциал — это мера того, сколько напряжения материал генерирует на единицу разности температур. Провода соединены в двух узлах, один горячий, другой холодный. Горячие узлы размещаются в области с более высокими температурами, а холодные узлы — в области с более низкими температурами. Разность температур между горячими и холодными узлами вызывает электрический ток, протекающий через цепь, что создает выходное напряжение.

Выходное напряжение термопилы пропорционально разности температур в устройстве и количеству пар термопар.

Константа пропорциональности называется коэффициентом Сеебека, который выражается в вольтах на кельвин (В/К) или милливольтах на кельвин (мВ/К). Коэффициент Сеебека зависит от типа и сочетания металлов, используемых в термопарах.

На рисунке ниже показана простая термопила с двумя наборами пар термопар, соединенных последовательно.

Две верхние термопарные узлы находятся при температуре T1, в то время как две нижние термопарные узлы находятся при температуре T2. Выходное напряжение от термопилы, ΔV, прямо пропорционально разности температур, ΔT или T1 – T2, через термическое сопротивление и количество пар термопар. Термическое сопротивление — это материал, который снижает передачу тепла между горячей и холодной областями.

Диаграмма дифференциальной температурной термопилы

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Термическое
       Сопротивление
        Слой
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Термопилы также могут быть построены с более чем двумя наборами пар термопар для увеличения выходного напряжения.

Термопилы также могут быть подключены параллельно, но такая конфигурация менее распространена, поскольку она увеличивает выходной ток, а не выходное напряжение.

Термопилы реагируют не на абсолютную температуру, а только на разность температур или градиенты.

Поэтому их можно использовать для измерения теплового потока, который представляет собой скорость передачи тепла на единицу площади. Тепловой поток можно рассчитать, разделив выходное напряжение на термическое сопротивление и площадь устройства.

Термопилы используют инфракрасное излучение как средство передачи тепла и также используются для бесконтактного измерения температуры.

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение с длинами волн между 700 нм и 1 мм, что соответствует температурам между 300 К и 5000 К. Инфракрасное излучение испускается любым объектом с ненулевой температурой и может быть обнаружено датчиком термопилы.

Типы датчиков термопил

Датчик термопилы — это устройство, которое использует одну или несколько термопил для измерения температуры или инфракрасного излучения от объекта или источника.

Датчики термопил основаны на принципах бесконтактного измерения и имеют различные преимущества по сравнению с контактными датчиками, такими как большая точность, быстрое время отклика, широкий диапазон и меньшее обслуживание.

Существуют различные типы датчиков термопил, в зависимости от количества, конфигурации и материала термопар, а также дизайна инфракрасного поглотителя и фильтра. Некоторые из наиболее распространенных типов датчиков термопил:

• Датчик термопилы с одним элементом: Этот тип датчика имеет только одну термопилу с одним горячим и одним холодным узлом. Горячий узел прикреплен к тонкому инфракрасному поглотителю, обычно это микромеханическая мембрана на кремниевом чипе. Холодный узел соединен с радиатором или эталонной температурой. Датчик измеряет разность температур между горячим и холодным узлами, которая пропорциональна инфракрасному излучению, поглощенному мембраной. Этот тип датчика подходит для измерения низкого и среднего уровня инфракрасного излучения и имеет быстрое время отклика.

• Датчик термопилы с несколькими элементами: Этот тип датчика имеет несколько термопил, расположенных параллельно или последовательно. Каждая термопила имеет свои собственные горячий и холодный узлы, которые соединены с общим инфракрасным поглотителем и общим радиатором. Датчик измеряет сумму выходных напряжений от каждой термопилы, которая пропорциональна общему инфракрасному излучению, поглощенному мембраной. Этот тип датчика подходит для измерения высокого уровня инфракрасного излучения и имеет высокую чувствительность.

• Массивный датчик термопилы: Этот тип датчика имеет массив термопил, расположенных в ряды и столбцы на подложке. Каждая термопила имеет свои собственные горячий и холодный узлы, которые со