Termopila je uređaj koji pretvara toplinu u električnu energiju korišćenjem termoelektričnog efekta.

Sastoji se od nekoliko termocouple, koje su parove žica izrađene od različitih metala i koje generišu napon kada su izložene temperaturnoj razlici. Termocouple su povezane u seriju ili ponekad paralelno kako bi formirale termopilu, koja proizvodi veći napon od jednog termocouple. Termopile se koriste za razne primene, poput merenja temperature, generisanja struje i detektovanja infracrvene radijacije.

Kako funkcioniše termopila?

Termopila funkcioniše na principu termoelektričnog efekta, koji je direktna konverzija temperaturnih razlika u električni napon i obrnuto. Ovaj efekat otkrio je Tomas Zebek 1826. godine, kada je uočio da krug sa dva različita metala proizvodi napon kada je jedna spojnica zagrejana, a druga hladna.

Termopila je u esenciji serija termocouple, svaka od kojih sastoji se od dve žice različitih metala sa velikim termoelektričnim napajanjem i suprotnim polarnostima.

Termoelektrična snaga je mera koliko napon materijal generiše po jedinici temperaturne razlike. Žice su spojene na dve spojnici, jednu vruću i jednu hladnu. Vruće spojnici su postavljene u regionu sa višom temperaturom, dok su hladne spojnici postavljene u regionu sa nižom temperaturom. Temperaturna razlika između vrućih i hladnih spojnica dovodi do toga da električna struja teče kroz krug, generišući napon.

Napon izlaza termopile je proporcionalan temperaturnoj razlici preko uređaja i broju parova termocouple.

Konstanta proporcionalnosti zove se Seebeckov koeficijent, koji se izražava u voltima po kelvinu (V/K) ili milivoltima po kelvinu (mV/K). Seebeckov koeficijent zavisi od vrste i kombinacije metala korišćenih u termocouple.

Dijagram ispod pokazuje jednostavnu termopilu sa dva seta parova termocouple povezanih u seriju.

Dva gornja spojnica termocouple su na temperaturi T1, dok su dva donja spojnica termocouple na temperaturi T2. Izlazni napon iz termopile, ΔV, direktno je proporcionalan temperaturnoj razlici, ΔT ili T1 – T2, preko termalnog otpor sloja i broju parova termocouple. Termalni otpor sloj je materijal koji smanjuje prenos toplote između vrućih i hladnih regiona.

Dijagram diferencijalne temperaturne termopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Termalni
       Otpor
         Sloj
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopile se mogu konstruisati i sa više od dva seta parova termocouple kako bi se povećao napon izlaza.

Termopile se mogu povezati i paralelno, ali ova konfiguracija je manje česta jer povećava izlaznu struju umesto napona.

Termopile ne reaguju na apsolutnu temperaturu, već samo na temperaturne razlike ili gradijente.

Stoga se mogu koristiti za merenje toplinske tok, što je stopa prenosa toplote po jedinici površine. Toplinski tok se može izračunati deljenjem napona izlaza sa termalnim otporom i površinom uređaja.

Termopile koriste infracrvenu radijaciju kao sredstvo prenosa toplote i koriste se i za kontaktne merenje temperature.

Infracrvena radiacija je elektromagnetna radiacija sa talasnim dužinama između 700 nm i 1 mm, što odgovara temperaturama između 300 K i 5000 K. Infracrvena radiacija se emituje od bilo kojeg objekta sa nenultom temperaturom i može biti detektovana termopilom senzorom.

Tipovi termopilskih senzora

Termopilski senzor je uređaj koji koristi jednu ili više termopila za merenje temperature ili infracrvene radijacije od objekta ili izvora.

Termopilski senzori su bazirani na principu kontaktne mere i imaju razne prednosti nad kontakt baziranim senzorima, poput veće tačnosti, bržeg vremena odziva, šireg opsega i manje održavanja.

Postoji različitih tipova termopilskih senzora, zavisno od broja, konfiguracije i materijala termocouple, kao i dizajna infracrvenog apsorbera i filtera. Neke od čestih tipova termopilskih senzora su:

• Jednelementni termopilski senzor: Ovaj tip senzora ima samo jednu termopilu sa jednom vrućom spojnicom i jednom hladnom spojnicom. Vruća spojnica je pričvršćena na tanki infracrveni apsorber, obično mikromehanizovani membrana na silicijumskom čipu. Hladna spojnica je povezana sa toplotnim otvorom ili referentnom temperaturom. Senzor meri temperaturnu razliku između vrućih i hladnih spojnica, koja je proporcionalna infracrvenoj radijaciji apsorbovanoj membranom. Ovaj tip senzora je pogodan za merenje niske do srednje infracrvene radijacije i ima brzo vreme odziva.

• Više-elementni termopilski senzor: Ovaj tip senzora ima više termopila raspoređenih paralelno ili u seriju. Svaka termopila ima svoju vruću i hladnu spojnicu, koje su povezane sa zajedničkim infracrvenim apsorberom i zajedničkim toplotnim otvorom. Senzor meri sumu napona izlaza svake termopile, koja je proporcionalna ukupnoj infracrvenoj radijaciji apsorbovanoj membranom. Ovaj tip senzora je pogodan za merenje visoke infracrvene radijacije i ima visoku osjetljivost.

• Matrica termopilskih senzora: Ovaj tip senzora ima matricu termopila raspoređenu u redove i kolone na podlogi. Svaka termopila ima svoju v