Termopila je naprava, ki pretvarja toploto v električno energijo z uporabo termoelektričnega učinka.

Sestavljena je iz več termokuplov, ki so parovi žic iz različnih kovin, ki generirajo napetost, ko so izpostavljeni temperaturni razliki. Termokupli so povezani zaporedno ali v nekaterih primerih v vzporedno, da tvorijo termopilo, ki proizvede višjo napetost kot en sam termokupil. Termopile se uporabljajo za različne namene, kot so merjenje temperature, generiranje energije in detekcija infrardeče radiacije.

Kako deluje termopila?

Termopila deluje na principu termoelektričnega učinka, ki je neposredna pretvorba temperaturnih razlik v električno napetost in obratno. Ta učinek je odkril Thomas Seebeck leta 1826, ki je opazil, da je vezja, sestavljeno iz dveh različnih kovin, generiralo napetost, ko je bil en konec segrevan, drug pa ohlajan.

Termopila je bistveno zaporedje termokuplov, vsak od njih sestavljen iz dveh žic različnih kovin z velikim termoelektričnim potencialom in nasprotnimi polaritami.

Termoelektrični potencial je merilo, kako veliko napetosti generira material na enoto temperaturne razlike. Žice so združene na dveh konecnicah, ena topla in ena hladna. Toplo konecnico postavimo v območju z višjimi temperaturami, hladno pa v območju z nižjimi temperaturami. Temperaturna razlika med toplo in hladno konecnico povzroči tok električnega toka skozi vezje, kar generira izhodno napetost.

Izhodna napetost termopile je sorazmerna temperaturni razliki čez napravo in številu parov termokuplov.

Sorazmernostni konstanta se imenuje Seebeckov koeficient, ki je izražen v voltih na kelvin (V/K) ali milivoltih na kelvin (mV/K). Seebeckov koeficient je odvisen od vrste in kombinacije kovin, uporabljenih v termokuplih.

Slika spodaj prikazuje preprosto termopilo s dvema setoma parov termokuplov, povezanimi zaporedno.

Dva zgornja konecna točka termokuplov so na temperaturi T1, medtem ko sta dve spodnji konecni točki termokuplov na temperaturi T2. Izhodna napetost termopile, ΔV, je sorazmerna temperaturni razliki, ΔT ali T1 – T2, čez toplotni upor in številu parov termokuplov. Toplotni upor je material, ki zmanjša prenos toplote med toplo in hladno območjem.

Shema diferencialne temperaturne termopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Toplotni
       upor
         Plast
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopile lahko tudi sestavimo z več kot dvema setoma parov termokuplov, da povečamo izhodno napetost.

Termopile lahko tudi povežemo v vzporedno, toda ta konfiguracija je manj pogosta, ker poveča izstopni tok namesto napetosti.

Termopile ne odgovarjajo na absolutno temperaturo, temveč le na temperaturne razlike ali gradient.

Zato jih lahko uporabimo za merjenje toplinskega toka, ki je hitrost prenosa toplote na enoto površine. Toplinski tok lahko izračunamo tako, da delimo izhodno napetost s toplotnim uporom in površino naprave.

Termopile uporabljajo infrardečo radiacijo kot sredstvo prenosa toplote in se uporabljajo tudi za kontaktno merjenje temperature.

Infrardeča radiacija je elektromagnetska radiacija s valovnimi dolžinami med 700 nm in 1 mm, kar ustrezata temperaturama med 300 K in 5000 K. Infrardeča radiacija se emitira iz vsakega telesa z neničelno temperaturo in jo lahko zazna sensor termopile.

Vrste sensorjev termopil

Sensor termopile je naprava, ki uporablja eno ali več termopil za merjenje temperature ali infrardeče radiacije iz objekta ali vira.

Sensorji termopil temeljijo na principih kontaktnega merjenja in imajo različne prednosti pred kontaktirnimi sensorji, kot so višja natančnost, hitrejši odziv, širši obseg in manjša vzdrževanja.

Obstaja različnih vrst sensorjev termopil, odvisno od števila, konfiguracije in materiala termokuplov, kot tudi od dizajna absorberja infrardeče radiacije in filtra. Nekatere običajne vrste sensorjev termopil so:

• Enojni elementni sensor termopile: Ta vrsta sensorja ima samo eno termopilo z enim topnim konecnikom in enim hladnim konecnikom. Topni konecnik je pričrpan na tank absorbent infrardeče radiacije, običajno mikromehansko membrano na silikonskem čipu. Hladni konecnik je povezan na toplotni odpornik ali referenčno temperaturo. Sensor meri temperaturno razliko med topnim in hladnim konecnikom, ki je sorazmerna infrardeči radiaciji, ki jo je absorbiral absorbent. Ta vrsta sensorja je primerna za merjenje nizkih do srednjih ravni infrardeče radiacije in ima hitre odziv.

• Večelementni sensor termopile: Ta vrsta sensorja ima več termopil, razporejenih v vzporedno ali zaporedno. Vsaka termopila ima svoj topni in hladni konecnik, ki sta povezana na skupni absorbent infrardeče radiacije in skupni toplotni odpornik. Sensor meri vsoto izhodnih napetosti iz vsake termopile, ki je sorazmerna skupni infrardeči radiaciji, ki jo je absorbiral absorbent. Ta vrsta sensorja je primerna za merjenje visokih ravni infrardeče radiacije in ima visoko občutljivost.

• Matrični sensor termopile: Ta vrsta sensorja ima matriko termopil, razporejenih v vrstice in stolpce na podlagi. Vsaka termopila ima svoj topni in hladni konecnik, ki sta povezana na posamezne absorbente infrardeče radiacije in toplot