Thermopile: Thiết bị chuyển đổi nhiệt thành điện

Electrical4u

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

What Is A Thermopile

Thermopile là một thiết bị chuyển đổi nhiệt thành điện bằng cách sử dụng hiệu ứng nhiệt điện.

Nó bao gồm nhiều cặp thermocouple, được làm từ các dây kim loại khác nhau và tạo ra điện áp khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Các thermocouple được kết nối theo chuỗi hoặc đôi khi song song để tạo thành một thermopile, sản sinh ra điện áp cao hơn so với một thermocouple đơn lẻ. Thermopiles được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, như đo nhiệt độ, tạo năng lượng và phát hiện bức xạ hồng ngoại.

Cách hoạt động của Thermopile?

Thermopile hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện, đó là sự chuyển đổi trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ thành điện áp và ngược lại. Hiệu ứng này được phát hiện bởi Thomas Seebeck vào năm 1826, ông nhận thấy rằng một mạch làm từ hai kim loại khác nhau sẽ tạo ra điện áp khi một đầu được làm nóng và đầu kia được làm lạnh.

Một thermopile cơ bản là một loạt các thermocouple, mỗi cái bao gồm hai dây kim loại khác nhau với năng suất nhiệt điện lớn và cực tính ngược nhau.

Năng suất nhiệt điện là một chỉ số đo lường mức độ điện áp mà một vật liệu tạo ra cho mỗi đơn vị chênh lệch nhiệt độ. Các dây được nối tại hai mối nối, một nóng và một lạnh. Mối nối nóng được đặt trong vùng có nhiệt độ cao hơn, trong khi mối nối lạnh được đặt trong vùng có nhiệt độ thấp hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa mối nối nóng và lạnh gây ra dòng điện chạy qua mạch, tạo ra điện áp đầu ra.

Điện áp đầu ra của một thermopile tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ trên thiết bị và số lượng cặp thermocouple.

Hệ số tỷ lệ được gọi là hệ số Seebeck, được biểu thị bằng vôn trên kelvin (V/K) hoặc milivôn trên kelvin (mV/K). Hệ số Seebeck phụ thuộc vào loại và kết hợp của kim loại được sử dụng trong các thermocouple.

Bản vẽ dưới đây cho thấy một thermopile đơn giản với hai bộ cặp thermocouple được kết nối theo chuỗi.

Hai mối nối thermocouple trên cùng ở nhiệt độ T1, trong khi hai mối nối thermocouple dưới cùng ở nhiệt độ T2. Điện áp đầu ra từ thermopile, ΔV, tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ, ΔT hay T1 – T2, trên lớp kháng nhiệt và số lượng cặp thermocouple. Lớp kháng nhiệt là một vật liệu giảm truyền nhiệt giữa khu vực nóng và lạnh.

Bản vẽ của một thermopile chênh lệch nhiệt độ

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Lớp kháng nhiệt
        ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Thermopiles cũng có thể được xây dựng với nhiều hơn hai bộ cặp thermocouple để tăng điện áp đầu ra.

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

Thermopiles cũng có thể được kết nối song song, nhưng cấu hình này ít phổ biến hơn vì nó tăng cường dòng điện đầu ra thay vì điện áp đầu ra.

Thermopiles không phản ứng với nhiệt độ tuyệt đối, mà chỉ phản ứng với sự chênh lệch hoặc gradient nhiệt độ.

Do đó, chúng có thể được sử dụng để đo lưu lượng nhiệt, đó là tốc độ truyền nhiệt trên đơn vị diện tích. Lưu lượng nhiệt có thể được tính bằng cách chia điện áp đầu ra cho kháng nhiệt và diện tích của thiết bị.

Thermopiles sử dụng bức xạ hồng ngoại như một phương tiện truyền nhiệt và cũng được sử dụng để đo nhiệt độ không tiếp xúc.

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

Bức xạ hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng từ 700 nm đến 1 mm, tương ứng với nhiệt độ từ 300 K đến 5000 K. Bức xạ hồng ngoại được phát ra bởi bất kỳ vật nào có nhiệt độ không bằng không và có thể được phát hiện bởi cảm biến thermopile.

Loại Cảm Biến Thermopile

Cảm biến thermopile là thiết bị sử dụng một hoặc nhiều thermopile để đo nhiệt độ hoặc bức xạ hồng ngoại từ một vật thể hoặc nguồn.

Cảm biến thermopile dựa trên nguyên lý đo không tiếp xúc và có nhiều ưu điểm so với các cảm biến tiếp xúc, như độ chính xác cao hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn, dải đo rộng hơn và bảo trì thấp hơn.

Có nhiều loại cảm biến thermopile, tùy thuộc vào số lượng, cấu hình và vật liệu của các thermocouple, cũng như thiết kế của bộ hấp thụ hồng ngoại và bộ lọc. Một số loại cảm biến thermopile thông thường là:

Cảm biến thermopile đơn yếu tố: Loại cảm biến này chỉ có một thermopile với một mối nối nóng và một mối nối lạnh. Mối nối nóng được gắn vào một bộ hấp thụ hồng ngoại mỏng, thường là màng micro-machined trên một chip silicon. Mối nối lạnh được kết nối với một bộ tản nhiệt hoặc nhiệt độ tham chiếu. Cảm biến đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa mối nối nóng và lạnh, tỷ lệ thuận với bức xạ hồng ngoại được hấp thụ bởi màng. Loại cảm biến này phù hợp để đo bức xạ hồng ngoại mức thấp đến trung bình và có thời gian phản hồi nhanh.
Cảm biến thermopile đa yếu tố: Loại cảm biến này có nhiều thermopile được sắp xếp theo song song hoặc theo chuỗi. Mỗi thermopile có mối nối nóng và lạnh riêng, được kết nối với một bộ hấp thụ hồng ngoại chung và một bộ tản nhiệt chung. Cảm biến đo tổng điện áp đầu ra từ mỗi thermopile, tỷ lệ thuận với tổng bức xạ hồng ngoại được hấp thụ bởi màng. Loại cảm biến này phù hợp để đo bức xạ hồng ngoại mức cao và có độ nhạy cao.
Cảm biến thermopile mảng: Loại cảm biến này có mảng thermopile được sắp xếp theo hàng và cột trên một nền. Mỗi thermopile có mối nối nóng và lạnh riêng, được kết nối với các bộ hấp thụ hồng ngoại và bộ tản nhiệt riêng. Cảm biến đo điện áp đầu ra từ mỗi thermopile riêng biệt, tỷ lệ thuận với bức xạ hồng ngoại cục bộ được hấp thụ bởi mỗi bộ hấp thụ. Loại cảm biến này có thể tạo ra hình ảnh hai chiều của phân bố bức xạ hồng ngoại và có thể phát hiện vị trí, hình dạng và chuyển động của một vật.
Cảm biến thermopile pyroelectric: Loại cảm biến này kết hợp vật liệu pyroelectric với thermopile. Vật liệu pyroelectric là vật liệu tạo ra điện tích khi được làm nóng hoặc làm lạnh. Vật liệu pyroelectric được gắn vào mối nối nóng của các thermopile, trong khi mối nối lạnh được kết nối với bộ tản nhiệt. Cảm biến đo điện áp đầu ra từ các thermopile cộng với điện tích đầu ra từ vật liệu pyroelectric, tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của bức xạ hồng ngoại được hấp thụ bởi vật liệu. Loại cảm biến này có thể phát hiện sự thay đổi nhanh chóng của bức xạ hồng ngoại và có thể đo cả nhiệt độ tĩnh và động.