เทอร์โมไพล: อุปกรณ์ที่แปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า

ฟิลด์: ไฟฟ้าพื้นฐาน

China

What Is A Thermopile

เทอร์โมพายคืออุปกรณ์ที่แปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยใช้ผลเทอร์โมอิเล็กทริก

มันประกอบด้วยเทอร์โมคัปเปิลหลายตัว ซึ่งเป็นคู่ของสายที่ทำจากโลหะต่างกันที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อถูกสัมผัสกับความแตกต่างของอุณหภูมิ เทอร์โมคัปเปิลถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือบางครั้งแบบขนานเพื่อสร้างเทอร์โมพาย ซึ่งให้แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าเทอร์โมคัปเปิลเดี่ยว เทอร์โมพายใช้ในหลากหลายแอปพลิเคชัน เช่น การวัดอุณหภูมิ การสร้างพลังงาน และการตรวจจับรังสีอินฟราเรด

เทอร์โมพายทำงานอย่างไร?

เทอร์โมพายทำงานบนหลักการของผลเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งเป็นการแปลงความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นแรงดันไฟฟ้าและกลับกัน หลักการนี้ถูกค้นพบโดยโทมัสเซบีคในปี 1826 ซึ่งสังเกตว่าวงจรที่ทำจากโลหะสองชนิดสร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อจุดเชื่อมต่อหนึ่งถูกทำความร้อนและจุดเชื่อมต่ออีกจุดถูกทำให้เย็น

เทอร์โมพายคือชุดของเทอร์โมคัปเปิล แต่ละตัวประกอบด้วยสายสองเส้นที่ทำจากโลหะต่างกันที่มีกำลังเทอร์โมอิเล็กทริกสูงและขั้วตรงข้ามกัน

กำลังเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นการวัดว่าวัสดุใดสร้างแรงดันไฟฟ้าต่อความแตกต่างของอุณหภูมิหน่วยใดหน่วยหนึ่ง สายเหล่านี้ถูกเชื่อมต่อที่สองจุดเชื่อมต่อ หนึ่งจุดร้อนและหนึ่งจุดเย็น จุดเชื่อมต่อที่ร้อนถูกวางไว้ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูง ในขณะที่จุดเชื่อมต่อที่เย็นถูกวางไว้ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อที่ร้อนและเย็นทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจร สร้างแรงดันไฟฟ้าออก

แรงดันไฟฟ้าออกของเทอร์โมพายเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วอุปกรณ์และจำนวนคู่เทอร์โมคัปเปิล

ค่าคงที่สัดส่วนเรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์เซบีค ซึ่งแสดงเป็นโวลต์ต่อเคลวิน (V/K) หรือมิลลิโวลต์ต่อเคลวิน (mV/K) ค่าสัมประสิทธิ์เซบีคขึ้นอยู่กับประเภทและผสมของโลหะที่ใช้ในเทอร์โมคัปเปิล

แผนภาพด้านล่างแสดงเทอร์โมพายที่มีคู่เทอร์โมคัปเปิลสองชุดเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม

จุดเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลสองจุดบนสุดอยู่ที่อุณหภูมิ T1 ในขณะที่จุดเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลสองจุดล่างสุดอยู่ที่อุณหภูมิ T2 แรงดันไฟฟ้าออกจากเทอร์โมพาย ΔV เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิ ΔT หรือ T1 – T2 ทั่วชั้นความต้านทานความร้อนและจำนวนคู่เทอร์โมคัปเปิล ชั้นความต้านทานความร้อนคือวัสดุที่ลดการถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นที่ร้อนและเย็น

แผนภาพของเทอร์โมพายที่วัดความแตกต่างของอุณหภูมิ

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \  ΔV
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \  ΔV
    |          \
    |           \  ΔV
    |            \
    |             \  ΔV
    |              \
    |               \  ΔV
    ------------------
        ชั้นความต้านทานความร้อน
        ------------------
    |               /  ΔV
    |              /  ΔV
    |             /  ΔV
    |            /  ΔV
    |           /  ΔV
    |          /  ΔV
    |         /  ΔV
    |        /  ΔV
    |       /  ΔV
    |      /  ΔV
    |     /  ΔV
    |    /  ΔV
    |   /  ΔV
    |  /  ΔV
    | /  ΔV
    |/  ΔV 
   T2

เทอร์โมพายสามารถสร้างด้วยคู่เทอร์โมคัปเปิลมากกว่าสองชุดเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าออก

\begin{align*}V_{out} = S*(T_{x}-T_{ref})\end{align*}

เทอร์โมพายสามารถเชื่อมต่อแบบขนานได้เช่นกัน แต่การกำหนดค่านี้ไม่ค่อยพบเนื่องจากเพิ่มกระแสไฟฟ้าออกแทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้าออก

เทอร์โมพายไม่ตอบสนองต่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ แต่ตอบสนองต่อความแตกต่างของอุณหภูมิหรือความลาดเอียงของอุณหภูมิเท่านั้น

ดังนั้น สามารถใช้ในการวัดความหนาแน่นความร้อน ซึ่งเป็นอัตราการถ่ายเทความร้อนต่อพื้นที่หน่วย ความหนาแน่นความร้อนสามารถคำนวณได้โดยหารแรงดันไฟฟ้าออกด้วยความต้านทานความร้อนและพื้นที่ของอุปกรณ์

เทอร์โมพายใช้รังสีอินฟราเรดเป็นวิธีการถ่ายเทความร้อนและยังใช้สำหรับการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส

\begin{align*}V_{out} = N*S*(T_{x}-T_{ref})\end{align*}

รังสีอินฟราเรดคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นระหว่าง 700 nm ถึง 1 mm ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิระหว่าง 300 K ถึง 5000 K รังสีอินฟราเรดถูกปล่อยออกมาจากวัตถุใด ๆ ที่มีอุณหภูมิไม่เท่ากับศูนย์และสามารถตรวจจับได้โดยเซ็นเซอร์เทอร์โมพาย

ประเภทของเซ็นเซอร์เทอร์โมพาย

เซ็นเซอร์เทอร์โมพายคืออุปกรณ์ที่ใช้เทอร์โมพายหนึ่งตัวหรือมากกว่าในการวัดอุณหภูมิหรือรังสีอินฟราเรดจากวัตถุหรือแหล่งกำเนิด

เซ็นเซอร์เทอร์โมพายมีหลักการวัดแบบไม่สัมผัสและมีข้อดีต่าง ๆ เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์แบบสัมผัส เช่น ความแม่นยำสูง ความไวตอบสนองเร็ว ช่วงกว้าง และการบำรุงรักษาน้อย

มีประเภทของเซ็นเซอร์เทอร์โมพายต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับจำนวน การกำหนดค่า และวัสดุของเทอร์โมคัปเปิล รวมถึงการออกแบบของสารดูดซึมอินฟราเรดและฟิลเตอร์ ประเภททั่วไปของเซ็นเซอร์เทอร์โมพายคือ:

เซ็นเซอร์เทอร์โมพายแบบองค์ประกอบเดียว: ประเภทของเซ็นเซอร์นี้มีเทอร์โมพายเพียงตัวเดียวที่มีจุดเชื่อมต่อร้อนและเย็นเดียว จุดเชื่อมต่อร้อนถูกติดตั้งบนสารดูดซึมอินฟราเรดที่บาง โดยทั่วไปเป็นเมมเบรนที่ถูกทำให้ละเอียดบนชิปซิลิคอน จุดเชื่อมต่อเย็นถูกเชื่อมต่อกับฮีทซิงก์หรืออุณหภูมิอ้างอิง เซ็นเซอร์วัดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อร้อนและเย็น ซึ่งเป็นสัดส่วนกับรังสีอินฟราเรดที่ถูกดูดซึมโดยเมมเบรน ประเภทของเซ็นเซอร์นี้เหมาะสมสำหรับการวัดระดับรังสีอินฟราเรดต่ำถึงกลางและมีความไวตอบสนองเร็ว
เซ็นเซอร์เทอร์โมพายแบบหลายองค์ประกอบ: ประเภทของเซ็นเซอร์นี้มีเทอร์โมพายหลายตัวที่เรียงเป็นอนุกรมหรือขนาน เทอร์โมพายแต่ละตัวมีจุดเชื่อมต่อร้อนและเย็นของ