Термопіла — це пристрій, який перетворює тепло на електрику, використовуючи термоелектричний ефект.

Вона складається з кількох термопар, які є пари дротів, виготовлених з різних металів, які генерують напругу при подачі різниці температур. Термопари з'єднуються послідовно або іноді паралельно, щоб утворити термопілу, яка створює більшу напругу, ніж одна термопара. Термопіли використовуються для різних застосувань, таких як вимірювання температури, генерація енергії та виявлення інфрачервої радіації.

Як працює термопіла?

Термопіла працює на основі термоелектричного ефекту, який полягає у безпосередньому перетворенні різниці температур на електричну напругу і навпаки. Цей ефект був відкритий Томасом Зебеком у 1826 році, який спостеріг, що контур, складений з двох різних металів, створює напругу, коли один з'єднання нагрівається, а інший охолоджується.

Термопіла, по суті, є послідовністю термопар, кожна з яких складається з двох дротів різних металів з великим термоелектричним потужністю і протилежними полярностями.

Термоелектрична потужність — це міра того, скільки напруги матеріал генерує на одиницю різниці температур. Дроти з'єднуються у двох з'єднаннях, одне гаряче, а одне холодне. Гарячі з'єднання розташовані в області з більшою температурою, а холодні з'єднання — в області з нижчою температурою. Різниця температур між гарячими і холодними з'єднаннями спричиняє електричний струм, який проходить через контур, створюючи вихідну напругу.

Напруга, яку генерує термопіла, пропорційна різниці температур через пристрій та кількості пар термопар.

Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом Зебека, який виражається в вольтах на кельвін (В/К) або мілівольтах на кельвін (мВ/К). Коефіцієнт Зебека залежить від типу та комбінації металів, використаних в термопарах.

На малюнку нижче показана проста термопіла з двома наборами пар термопар, з'єднаних послідовно.

Дві верхні точки з'єднання термопар знаходяться при температурі T1, а дві нижні точки з'єднання термопар — при температурі T2. Вихідна напруга з термопіли, ΔV, прямо пропорційна різниці температур, ΔT або T1 – T2, через тепловий опір шару та кількості пар термопар. Тепловий опір — це матеріал, який зменшує теплопередачу між гарячими і холодними областями.

Діаграма диференціального термопільного пристрою

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Тепловий
       Опір
        Шар
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Термопіли також можна будувати з більше ніж двох наборів пар термопар, щоб збільшити вихідну напругу.

Термопіли також можна з'єднувати паралельно, але ця конфігурація менш поширена, оскільки вона збільшує струм, а не напругу.

Термопіли не реагують на абсолютну температуру, а лише на різницю температур або градієнти.

Отже, їх можна використовувати для вимірювання теплового потоку, який є швидкістю передачі тепла на одиницю площі. Тепловий потік можна обчислити, розділивши вихідну напругу на тепловий опір та площу пристрою.

Термопіли використовують інфрачервону радіацію як засіб передачі тепла і також використовуються для невідносного вимірювання температури.

Інфрачервона радіація — це електромагнітна радіація з довжиною хвилі від 700 нм до 1 мм, що відповідає температурам від 300 К до 5000 К. Інфрачервона радіація виділяється будь-яким об'єктом з ненульовою температурою і може бути виявлена ​​датчиком термопіли.

Типи датчиків термопіл

Датчик термопіли — це пристрій, який використовує одну або кілька термопіл для вимірювання температури або інфрачервої радіації від об'єкта або джерела.

Датчики термопіл базуються на принципах невідносного вимірювання і мають різні переваги над контактними датчиками, такі як вища точність, швидша реакція, ширший діапазон та менша потреба у технічному обслуговуванні.

Існують різні типи датчиків термопіл, залежно від кількості, конфігурації та матеріалу термопар, а також від дизайну інфрачервоного поглинача та фільтра. Деякі з поширених типів датчиків термопіл:

• Одноелементний датчик термопіли: Цей тип датчика має лише одну термопілу з одним гарячим з'єднанням і одним холодним з'єднанням. Гаряче з'єднання прикріплене до тонкого ін