Ang thermopile ay isang aparato na nagpapalit ng init sa kuryente gamit ang epekto ng termoelektriko.

Ito ay binubuo ng maraming termokuplas, na mga pares ng wire na gawa sa iba't ibang uri ng metal na nagbibigay ng voltahe kapag nakaranas ng pagkakaiba ng temperatura. Ang mga termokupla ay konektado sa serye o minsan parehuhin upang bumuo ng thermopile, na nagbibigay ng mas mataas na voltahe output kaysa sa iisang termokupla. Ang mga thermopile ay ginagamit para sa iba't ibang aplikasyon, tulad ng pagsukat ng temperatura, pagbuo ng lakas, at pagtukoy ng infrared radiation.

Paano Gumagana ang Thermopile?

Ang thermopile ay gumagana batay sa prinsipyo ng epekto ng termoelektriko, na ang direktang pagbabago ng pagkakaiba ng temperatura sa elektrikong voltahe at vice versa. Natuklasan ito ni Thomas Seebeck noong 1826, na napatunayan na ang isang circuit na gawa sa dalawang iba't ibang metal ay nagbibigay ng voltahe kapag ang isa sa mga junction ay inihain at ang isa ay pinahupa.

Ang thermopile ay esensyal na isang serye ng termokuplas, bawat isa ay binubuo ng dalawang wire na may malaking termoelektrikong lakas at magkasalungat na polaridad.

Ang termoelektrikong lakas ay isang sukat kung gaano kataas ang voltahe na ginagawa ng materyal kada yunit ng pagkakaiba ng temperatura. Ang mga wire ay pinagsama sa dalawang junction, isa mainit at isa malamig. Ang mga mainit na junction ay inilagay sa rehiyon na may mas mataas na temperatura, habang ang mga malamig na junction ay inilagay sa rehiyon na may mas mababang temperatura. Ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mainit at malamig na junctions ay nagdudulot ng elektrikong current na umagos sa circuit, na nagbibigay ng output ng voltahe.

Ang output ng voltahe ng thermopile ay proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura sa paligid ng aparato at bilang ng mga pares ng termokupla.

Ang konstante ng proporsyonalidad ay tinatawag na Seebeck coefficient, na ipinahayag sa volts per kelvin (V/K) o millivolts per kelvin (mV/K). Ang Seebeck coefficient ay depende sa uri at kombinasyon ng metal na ginamit sa termokuplas.

Ang diagrama sa ibaba ay nagpapakita ng isang simple na thermopile na may dalawang set ng pares ng termokupla na konektado sa serye.

Ang dalawang taas na termokupla junctions ay nasa temperatura T1, habang ang dalawang ilalim na termokupla junctions ay nasa temperatura T2. Ang output voltage mula sa thermopile, ΔV, ay direktang proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura, ΔT o T1 – T2, sa thermal resistance layer at bilang ng mga pares ng termokupla. Ang thermal resistance layer ay isang materyal na nagbabawas ng transfer ng init sa pagitan ng mainit at malamig na rehiyon.

Diagrama ng differential temperature thermopile

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

Maaari ring gawin ang mga thermopiles na may higit sa dalawang set ng pares ng termokupla upang tanggapin ang output ng voltahe.

Maaaring ikonekta ang mga thermopiles sa parehuhin rin, ngunit hindi ito kadalasang ginagawa dahil ito ay nagdudulot ng pagtaas ng output ng current hindi ang output ng voltahe.

Hindi sumasagot ang mga thermopile sa absolute temperature, ngunit lamang sa mga pagkakaiba ng temperatura o gradients.

Kaya, maaari silang gamitin upang sukatin ang heat flux, na ang rate ng transfer ng init kada unit area. Ang heat flux ay maaaring makalkula sa pamamagitan ng paghahati ng output ng voltahe sa thermal resistance at ang area ng device.

Ginagamit ng mga thermopiles ang infrared radiation bilang paraan ng transfer ng init at ginagamit din ito para sa non-contact temperature measurement.

Ang infrared radiation ay elektromagnetikong radiation na may wavelengths sa pagitan ng 700 nm at 1 mm, na tumutugon sa temperatura sa pagitan ng 300 K at 5000 K. Iniradiate ng anumang bagay na may nonzero na temperatura at maaaring ma-detekta ng isang thermopile sensor.

Uri ng Thermopile Sensors

Ang thermopile sensor ay isang aparato na gumagamit ng isa o higit pang thermopiles upang sukatin ang temperatura o infrared radiation mula sa isang bagay o source.

Batay ang mga thermopile sensors sa mga prinsipyo ng non-contact measurement at may iba't ibang mga benepisyo kumpara sa contact-based sensors, tulad ng mas mataas na katotohanan, mas mabilis na response time, mas malawak na range, at mas mababang maintenance.

Mayroong iba't ibang uri ng thermopile sensors, depende sa bilang, configuration, at materyal ng mga termokuplas, pati na rin ang disenyo ng infrared absorber at ang filter. Ang ilan sa mga karaniwang uri ng thermopile sensors ay:

• Single-element thermopile sensor: Ang uri ng sensor na ito ay may iisang thermopile na may iisang mainit na junction at iisang malamig na junction. Ang mainit na junction ay nakalakip sa isang manipis na infrared absorber, kadalasang isang micro-machined membrane sa isang silicon chip. Ang malamig na junction ay konektado sa isang heat sink o isang reference temperature. Ang sensor ay nagsusukat ng pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mainit at malamig na junctions, na proporsyonal sa infrared radiation na inabsorb ng membrane. Ang uri ng sensor na ito ay angkop para sa pagsukat ng mababa hanggang sa medium na antas ng infrared radiation at may mabilis na response time.

• Multi-element thermopile sensor: Ang uri ng sensor na ito ay may maraming thermopiles na naka-arrange sa parehuhin o sa serye. Bawat thermopile ay may sarili nitong mainit at malamig na junctions, na konektado sa isang common infrared absorber at isang common heat sink. Ang sensor ay nagsusukat ng sum ng mga output ng voltahe mula sa bawat thermopile, na proporsyonal sa kabuuang infrared radiation na inabsorb ng membrane. Ang uri ng sensor na ito ay angkop para sa pagsukat ng mataas na antas ng infrared radiation at may mataas na sensitibidad.

• Array thermopile sensor: Ang uri ng sensor na ito ay may array ng thermopiles na naka-arrange sa rows at columns sa isang substrate. Bawat thermopile ay may sarili nitong mainit at malamig na junction