Termoelektrik Pil: Isıyı Elektrik Enerjisine Dönüştüren Bir Cihaz

Electrical4u

Alan: Temel Elektrik

China

Nedir Termopil

Termopil, termoelektrik etkiyi kullanarak ısıyı elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır.

Bunlar, sıcaklık farkına maruz kaldıklarında voltaj üreten farklı metallerden oluşan tel çiftleridir. Termokupl'lar serili veya bazen paralel olarak bağlanarak daha yüksek voltaj çıkışı üreten bir termopil oluşturur. Termopiller, sıcaklığı ölçmek, güç üretmek ve kızılötesi ışını tespit etmek gibi çeşitli uygulamalarda kullanılır.

Termopil Nasıl Çalışır?

Termopil, sıcaklık farklarını doğrudan elektrik voltaja ve tam tersi şekilde dönüştürme ilkesi üzerine çalışır. Bu etki, Thomas Seebeck tarafından 1826'da keşfedildi. Seebeck, iki farklı metalin olduğu bir devrenin bir tarafı ısıtılırken diğer tarafı soğutulduğunda voltaj ürettiğini gözlemledi.

Termopil esas olarak, büyük termoelektrik gücüne ve zıt kutuplarına sahip iki farklı metal telin birleştiği bir dizi termokupl'den oluşur.

Termoelektrik güç, bir malzemenin birim sıcaklık farkı başına ne kadar voltaj ürettiğini ölçer. Teller, bir sıcak ve bir soğuk birleşme noktasında birleştirilir. Sıcak birleşme noktaları daha yüksek sıcaklıklı bir bölgede, soğuk birleşme noktaları ise daha düşük sıcaklıklı bir bölgede yer alır. Sıcak ve soğuk birleşme noktaları arasındaki sıcaklık farkı, devrede bir elektrik akımının akmasına neden olur ve bu da bir voltaj çıkışı üretir.

Termopilin voltaj çıkışı, cihaz boyunca olan sıcaklık farkı ve termokupl çiftlerinin sayısına orantılıdır.

Orantılılık sabiti, volt/kelvin (V/K) veya milivolt/kelvin (mV/K) cinsinden ifade edilen Seebeck katsayısı olarak adlandırılır. Seebeck katsayısı, termokupllerde kullanılan metallerin türüne ve kombinasyonuna bağlıdır.

Aşağıdaki diyagram, serili bağlanmış iki set termokupl çiftlerinden oluşan basit bir termopili göstermektedir.

İki üst termokupl birleşme noktası T1 sıcaklığındadır, iki alt termokupl birleşme noktası ise T2 sıcaklığındadır. Termopilden gelen çıkış voltajı ΔV, termal direnç tabakası ve termokupl çiftlerinin sayısı üzerinden T1 – T2 sıcaklık farkına orantılıdır. Termal direnç tabakası, sıcak ve soğuk bölgeler arasında ısı transferini azaltan bir malzemedir.

Diferansiyel sıcaklık termopili diyagramı

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Termal
       Direnç
        Tabakası
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Termopiller, voltaj çıkışı artırma amacıyla iki setten fazla termokupl çifti ile de oluşturulabilir.

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

Termopiller, aynı zamanda paralel olarak da bağlanabilir, ancak bu yapılandırma genellikle voltaj çıkışı yerine akım çıkışı artırdığı için daha az yaygındır.

Termopiller, mutlak sıcaklığa tepki vermez, sadece sıcaklık farklarına veya gradyanlarına tepki verir.

Bu nedenle, ısı akışı ölçmek için kullanılabilir. Isı akışı, birim alan başına ısı transfer hızıdır. Isı akışı, voltaj çıkışıyla termal direnç ve cihazın alanı bölünerek hesaplanabilir.

Termopiller, ısı transferi için kızılötesi ışınımı kullanır ve temassız sıcaklık ölçümü için de kullanılır.

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

Kızılötesi ışınım, 700 nm ile 1 mm dalga boyu arasında, bu da 300 K ile 5000 K sıcaklık aralığına karşılık gelir. Kızılötesi ışınım, sıfır olmayan herhangi bir sıcaklığa sahip bir nesneden emişilir ve bir termopil sensörü ile tespit edilebilir.

Termopil Sensörleri Türleri

Termopil sensörü, bir veya birden fazla termopil kullanarak bir nesne veya kaynaktan sıcaklık veya kızılötesi ışınımı ölçen bir cihazdır.

Termopil sensörleri, temaslı sensörlere kıyasla daha yüksek hassasiyet, daha hızlı tepki süresi, daha geniş aralık ve daha düşük bakım gerektirmesi gibi çeşitli avantajlara sahiptir.

Termokupllerin sayısı, yapılandırması ve malzemesine, kızılötesi absorberin tasarımı ve filtreye bağlı olarak farklı türlerde termopil sensörü bulunmaktadır. Bazı yaygın termopil sensörü türleri şunlardır:

Tek elemanlı termopil sensörü: Bu tip sensör, tek bir sıcak ve soğuk birleşme noktasına sahip tek bir termopile sahiptir. Sıcak birleşme noktası genellikle bir silikon çip üzerinde mikromekanik bir membrana takılmıştır. Soğuk birleşme noktası bir ısı göbeğine veya referans sıcaklığına bağlanır. Sensör, membran tarafından emilen kızılötesi ışınımı orantılı olarak ölçer. Bu tip sensör, düşük ila orta düzeyde kızılötesi ışınımı ölçmek için uygun olup hızlı bir tepki süresine sahiptir.
Çok elemanlı termopil sensörü: Bu tip sensör, paralel veya seri olarak dizilmiş birden fazla termopil içerir. Her termopil, kendi sıcak ve soğuk birleşme noktalarına sahiptir ve bu noktalar ortak bir kızılötesi absorbere ve ortak bir ısı göbeğine bağlanır. Sensör, her termopilin voltaj çıkışı toplamını ölçer, bu da membran tarafından emilen toplam kızılötesi ışınımı orantılı olarak ölçer. Bu tip sensör, yüksek düzeyde kızılötesi ışınımı ölçmek için uygun olup yüksek hassasiyete sahiptir.
Dizisel termopil sensörü: Bu tip sensör, bir substrat üzerinde satır ve sütun şeklinde dizilmiş bir dizi termopil içerir. Her termopil, kendi sıcak ve soğuk birleşme noktalarına sahiptir ve bu noktalar bireysel kızılötesi absorberlere ve ısı göbeğine bağlanır. Sensör, her termopilin voltaj çıkışını ayrı ayrı ölçer, bu da her absorber tarafından emilen yerel kızılötesi ışınımı orantılı olarak ölçer. Bu tip sensör, kızılötesi ışınım dağılımının iki boyutlu bir görüntüsünü oluşturabilir ve bir nesnenin konumunu, şeklini ve hareketini tespit edebilir.
Piroelektrik termopil sensörü: Bu tip sensör, piroelektrik malzemeyi bir termopil ile birleştirir. Piroelektrik malzeme, ısıtıldığında veya soğutulduğunda elektrik yükü üreten bir malzemedir. Piroelektrik malzeme, termopillerin sıcak birleşme noktalarına eklenirken, soğuk birleşme noktaları ısı göbeğine bağlanır. Sensör, termopillerin voltaj çıkışı ile piroelektrik malzemenin yük çıkışını ölçer, bu da malzeme tarafından emilen kızılötesi ışınımın değişim hızına orantılıdır. Bu tip sensör, kızılötesi ışınımındaki hızlı değişiklikleri tespit edebilir ve hem statik hem de dinamik sıcaklıkları ölçebilir.