Thermopile ni kifaa kilicho na uwezo wa kutengeneza umeme kutumia mafanikio ya joto kwa kutumia athari ya thermoelectric.

Ina vito vingine thermocouples, ambavyo ni mavuta minne yanayofanyika kati ya viwango vilivyotengenezwa kwa kutumia dawa mbalimbali ya chuma ambayo huchanganya kila wakati wanapata tofauti ya joto. Thermocouples zinahusishwa kwa kihusu au mara nyingi kwa pamoja ili kuunda thermopile, ambayo hutengeneza upimaji wa umeme zaidi kuliko thermocouple moja. Thermopiles zinatumika kwa maudhui yasiyosamehe, kama vile kutathmini joto, kutengeneza umeme, na kutambua tia infrared.

Jinsi Thermopile Inafanya Kazi?

Thermopile inafanya kazi kwa kutumia athari ya thermoelectric, ambayo ni mabadiliko ya moja kwa moja ya tofauti za joto kwa umeme na kinyume chake. Athari hii iliyopatikana na Thomas Seebeck mwaka 1826, aliyewahi kuona kwamba circuit uliyofanyika kati ya chuma mbalimbali ilipata umeme wakati muungano mmoja alikuwa amepimwa na mwingine alikuwa amechomwa.

Thermopile ni kihusu cha series ya thermocouples, kila moja ina mavuta minne vinavyotengenezwa kwa kutumia dawa mbalimbali ya chuma na kina ubora mkubwa thermoelectric power na polarities tofauti.

Thermoelectric power ni upimaji wa jinsi material anavyotengeneza umeme kwa kila tofauti ya joto. Mavuta minne yamefungwa kwenye viungano minne, moja yenye joto na moja yenye baridi. Viungano yenye joto yamepelekwa kwenye eneo lenye joto zaidi, na viungano yenye baridi yamepelekwa kwenye eneo lenye joto kidogo. Tofauti ya joto kati ya viungano yenye joto na viungano yenye baridi huchanganya current ya umeme kutoka kwenye circuit, kutengeneza umeme.

Umeme unaoletwa kutoka kwenye thermopile unaweza kupimwa kwa kutumia tofauti ya joto katika kifaa na idadi ya vipande vya thermocouple.

Kiwango cha upimaji kinatafsiriwa kama Seebeck coefficient, ambacho kinacholeteka kwa volts per kelvin (V/K) au millivolts per kelvin (mV/K). Seebeck coefficient huamua kwa aina na majumlisho ya chuma ambazo zinatumika kwenye thermocouples.

Diagram hapa chini unaelezea thermopile rahisi na vitu visivyo sawa vya thermocouple pairs vilivyohusishwa kwa kihusu.

Viungano vyenye joto vya thermocouple vya juu ni kwenye joto T1, na viungano vyenye joto vya chini ni kwenye joto T2. Umeme unaoletwa kutoka kwenye thermopile, ΔV, unaweza kupimwa kwa kutumia tofauti ya joto, ΔT au T1 – T2, kwenye thermal resistance layer na idadi ya vipande vya thermocouple. Thermal resistance layer ni material ambalo linalowahesisha heat transfer kati ya viungano yenye joto na viungano yenye baridi.

Diagram ya differential temperature thermopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Thermal
       Resistance
        Layer
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Thermopiles zinaweza pia kujenga kwa kutumia zaidi ya viungano visivyo sawa vya thermocouple pairs ili kuzingatia umeme unaoletwa.

Thermopiles zinaweza pia kuhusishwa kwa pamoja, lakini mfumo huu unahitajika kidogo kwa sababu unawezesha current output zaidi kuliko umeme unaoletwa.

Thermopiles hazijibu kwa joto halisi, bali tu kwa tofauti za joto au gradients.

Kwa hiyo, zinaweza kutumika kwa kutathmini heat flux, ambayo ni kiwango cha haraka ya heat transfer kwa kila eneo. Heat flux inaweza kupimwa kwa kutumia umeme unaoletwa kwa thermal resistance na eneo la kifaa.

Thermopiles zinatumia tia infrared kama njia ya heat transfer na zinatumika pia kwa kutathmini joto bila wasiliano.

Tia infrared ni electromagnetic radiation inayotengenezwa na wavelengths kati ya 700 nm na 1 mm, ambayo inasimama kwa joto kati ya 300 K na 5000 K. Tia infrared inatengenezwa kwa chochote chenye joto si zero na inaweza kutambuliwa na thermopile sensor.

Aina za Thermopile Sensors

Thermopile sensor ni kifaa kilicho na uwezo wa kutumia thermopile moja au zaidi kutathmini joto au tia infrared kutoka kwa chochote au chanzo.

Thermopile sensors zinatumia maadili ya kutathmini bila wasiliano na zina faida nyingi zaidi kuliko sensors zenye wasiliano, kama vile uwepo wa uhakika zaidi, muda wa majibu wa haraka, mzunguko mkubwa, na huduma ndogo.

Kuna aina mbalimbali za thermopile sensors, kulingana na idadi, mfumo, na material ya thermocouples, pamoja na muktadha wa infrared absorber na filter. Baadhi ya aina za thermopile sensors zinazozingatia ni:

• Single-element thermopile sensor: Aina hii ya sensor ina thermopile moja na viungano yenye joto moja na viungano yenye baridi moja. Viungano yenye joto yamefungwa kwenye thin infrared absorber, mara nyingi membrane ya micro-machined kwenye chip ya silicon. Viungano yenye baridi yamefungwa kwenye heat sink au reference temperature. Sensor hutathmini tofauti ya joto kati ya viungano yenye joto na viungano yenye baridi, ambayo inaweza kupimwa kwa kutumia tia infrared iliyochukuliwa na membrane. Aina hii ya sensor inaweza kutumika kwa kutathmini tia infrared chache hadi chenye kipaumbele na ina muda wa majibu wa haraka.

• Multi-element thermopile sensor: Aina hii ya sensor ina thermopiles mingi zilizohusishwa kwa kihusu au kwa pamoja. Kila thermopile ina viungano yenye joto yake na viungano yenye baridi, ambayo yamefungwa kwenye infrared absorber na heat sink moja. Sensor hutathmini jumla ya umeme unaoletwa kutoka kwenye kila thermopile, ambayo inaweza kupimwa kwa kutumia jumla ya tia infrared iliyochukuliwa na membrane. Aina hii ya sensor inaweza kutumika kwa kutathmini tia infrared chenye kipaumbele na ina sensitivity ya juu.

• Array thermopile sensor: Aina hii ya sensor ina array ya thermopiles zilizoweke kwa safi na safu kwenye substrate. Kila thermopile ina viungano yenye joto yake na viungano yenye baridi, ambayo yamefungwa kwenye infrared absorbers na heat sinks b