Termoelement: En enhet som omvandlar värme till elektricitet
En termopil är en enhet som omvandlar värme till elektricitet genom att använda termoelektrisk effekt.
Den består av flera termokopplar, vilka är par av trådar gjorda av olika metaller som genererar en spänning när de utsätts för en temperatur skillnad. Termokopplarna är kopplade i serie eller ibland i parallel för att forma en termopil, vilket producerar en högre spännings utgång än en enda termokoppel. Termopilar används för olika tillämpningar, såsom mätning av temperatur, generering av ström och detektering av infraröd strålning.
Hur fungerar en termopil?
En termopil fungerar på principen om termoelektrisk effekt, vilket är den direkta omvandlingen av temperatur skillnader till elektrisk spänning och vice versa. Denna effekt upptäcktes av Thomas Seebeck 1826, som observerade att en krets gjord av två olika metaller producerade en spänning när en anslutning uppvärmades och den andra kyltes.
En termopil är i grunden en serie av termokopplar, var och en består av två trådar av olika metaller med stor termoelektrisk effekt och motsatta polariteter.
Termoelektrisk effekt är ett mått på hur mycket spänning ett material genererar per enhet temperatur skillnad. Trådarna är sammankopplade vid två anslutningar, en het och en kall. De heta anslutningarna placeras i en region med högre temperatur, medan de kalla anslutningarna placeras i en region med lägre temperatur. Temperatur skillnaden mellan de heta och kalla anslutningarna orsakar en elektrisk ström att flöda genom kretsen, vilket genererar en spänningsutgång.
Spänningsutgången från en termopil är proportionell mot temperatur skillnaden över enheten och antalet termokoppel par.
Proportionalitetskonstanten kallas Seebeck-koefficient, vilken uttrycks i volt per kelvin (V/K) eller millivolts per kelvin (mV/K). Seebeck-koefficienten beror på typ och kombination av metaller som används i termokopplarna.
Diagrammet nedan visar en enkel termopil med två set av termokoppel par kopplade i serie.
De två översta termokoppelanslutningarna är vid temperatur T1, medan de två nedre termokoppelanslutningarna är vid temperatur T2. Utgångsspänningen från termopilen, ΔV, är direkt proportionell mot temperatur skillnaden, ΔT eller T1 – T2, över den termiska motståndsskiktet och antalet termokoppel par. Det termiska motståndsskiktet är ett material som minskar värmeöverföringen mellan de heta och kalla regionerna.
Diagram av en differentiell temperatur termopil
T1
|\
| \
| \
| \
| \
| \ ΔV
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
| \
------------------
Termiskt
Motstånd
Skikt
------------------
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| /
| / ΔV
| /
| /
| /
| /
| /
|/
T2
Termopilar kan också konstrueras med mer än två set av termokoppel par för att öka spänningsutgången.
Termopilar kan också kopplas parallellt, men denna konfiguration är mindre vanlig eftersom den ökar strömutgången snarare än spänningsutgången.
Termopilar reagerar inte på absolut temperatur, utan bara på temperatur skillnader eller gradienter.
Därför kan de användas för att mäta värmeflöde, vilket är hastigheten av värmeöverföring per area. Värmeflöde kan beräknas genom att dela spänningsutgången med det termiska motståndet och arean av enheten.
Termopilar använder infraröd strålning som ett sätt att överföra värme och används också för icke-kontakt temperaturmätning.
Infraröd strålning är elektromagnetisk strålning med våglängder mellan 700 nm och 1 mm, vilket motsvarar temperaturer mellan 300 K och 5000 K. Infraröd strålning avges av alla objekt med en nollskild temperatur och kan detekteras av en termopil sensor.
Typer av termopilsensorer
En termopilsensor är en enhet som använder en eller flera termopilar för att mäta temperatur eller infraröd strålning från ett objekt eller en källa.
Termopilsensorer bygger på principer för icke-kontaktmätning och har olika fördelar jämfört med kontaktbaserade sensorer, såsom högre precision, snabbare respons tid, bredare mätområde och lägre underhåll.
Det finns olika typer av termopilsensorer, beroende på antalet, konfiguration och material av termokopplarna, samt designen av infraröd absorberande del och filter. Några av de vanliga typerna av termopilsensorer är:
Enkel element termopilsensor: Denna typ av sensor har endast en termopil med en enda het anslutning och en enda kall anslutning. Den heta anslutningen är fäst vid en tunn infraröd absorberande del, vanligtvis en mikromaskinerad membran på en siliciumpinne. Den kalla anslutningen är kopplad till en värmeledare eller en referenstemperatur. Sensorn mäter temperatur skillnaden mellan de heta och kalla anslutningarna, vilket är proportionellt mot den infraröda strålningen som absorberas av membranet. Denna typ av sensor är lämplig för att mäta låga till medelhöga infraröda strålning nivåer och har en snabb respons tid.
Flera element termopilsensor: Denna typ av sensor har flera termopilar arrangerade i parallell eller i serie. Varje termopil har sina egna heta och kalla anslutningar, vilka är kopplade till en gemensam infraröd absorberande del och en gemensam värmeledare. Sensorn mäter summan av spänningsutgångarna från varje termopil, vilket är proportionellt mot den totala infraröda strålningen som absorberas av membranet. Denna typ av sensor är lämplig för att mäta höga infraröda strålning nivåer och har en hög känslighet.
Array termopilsensor: Denna typ av sensor har en matris av termopilar arrangerade i rader och kolumner på en substrat. Varje termopil har sina egna heta och kalla anslutningar, vilka är kopplade till individuella infraröda absorberande delar och värmeledare. Sensorn mäter spänningsutgången från varje termopil separat, vilket är proportionellt mot den lokala infraröda strålningen som absorberas av varje absorberande del. Denna typ av sensor kan skapa en tvådimensionell bild av infraröd strålningens fördelning och kan detektera position, form och rörelse av ett objekt.
