Thermopile

Eine Thermosäule ist ein elektronisches Gerät, das Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Es besteht aus mehreren Thermoelementen, die normalerweise in Reihe oder seltener parallel geschaltet sind. Eine solche Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip des thermoelektrischen Effekts, d. H. Sie erzeugt Eine Spannung, wenn ihre unterschiedlichen Metalle (Thermoelemente) einer Temperaturdifferenz ausgesetzt sind.

Diagramm einer Differenztemperatur-Thermosäule mit zwei in Reihe geschalteten Thermoelementpaaren. Die beiden oberen Thermoelementübergänge haben die Temperatur T1, während die beiden unteren Thermoelementübergänge die Temperatur T2 haben. Die Ausgangsspannung von der Thermosäule, ΔV, ist direkt proportional zur Temperaturdifferenz, ΔT oder T1 – T2, über die thermische Widerstandsschicht und die Anzahl der Thermoelementübergangspaare. Die Thermosäule Spannungsausgang ist auch direkt proportional zum Wärmefluss, q“, durch die thermische Widerstandsschicht.

Bild eines Wärmeflusssensors, der eine Thermopfahlkonstruktion verwendet, um den Wärmefluss direkt zu messen. Das abgebildete Modell ist der Wärmeflusssensor FluxTeq PHFS-01. Der Spannungsausgang wird passiv von der Thermosäule proportional zum Wärmefluss durch den Sensor oder ähnlich der Temperaturdifferenz über das Dünnschichtsubstrat und der Anzahl der Thermoelementübergangspaare induziert. Diese von der Thermosäule des Sensors abgegebene Spannung wird zunächst kalibriert, um sie mit dem Wärmefluss in Beziehung zu setzen.

Thermoelemente arbeiten, indem sie die Temperaturdifferenz von ihrem Verbindungspunkt zu dem Punkt messen, an dem die Thermoelementausgangsspannung gemessen wird. Sobald ein geschlossener Stromkreis aus mehr als einem Metall besteht und es einen Temperaturunterschied zwischen den Übergängen und Übergangspunkten von einem Metall zu einem anderen gibt, wird ein Strom erzeugt, als ob er durch eine Potentialdifferenz zwischen der heißen und kalten Verbindung erzeugt würde.

Thermoelemente können als Thermoelementpaare in Reihe geschaltet werden, wobei sich ein Übergang auf beiden Seiten einer Wärmewiderstandsschicht befindet. Der Ausgang des Thermoelementpaares ist eine Spannung, die direkt proportional zur Temperaturdifferenz über die Wärmewiderstandsschicht und auch zum Wärmefluss durch die Wärmewiderstandsschicht ist. Das Hinzufügen weiterer Thermoelementpaare in Reihe erhöht die Größe des Spannungsausgangs. Thermosäulen können mit einem einzigen Thermoelementpaar, bestehend aus zwei Thermoelementverbindungen, oder mehreren Thermoelementpaaren aufgebaut sein.

Thermopiles reagieren nicht auf absolute Temperatur, sondern erzeugen eine Ausgangsspannung, die proportional zu einer lokalen Temperaturdifferenz oder einem Temperaturgradienten ist. Die Menge an Spannung und Leistung ist sehr klein und sie werden in Milli-Watt und Milli-Volt mit gesteuerten Geräten gemessen, die speziell für diesen Zweck entwickelt wurden.

Thermosäulen werden verwendet, um eine Ausgabe als Reaktion auf die Temperatur als Teil eines Temperaturmessgeräts bereitzustellen, z. B. der Infrarotthermometer, die von Medizinern häufig zur Messung der Körpertemperatur verwendet werden, oder in thermischen Beschleunigungsmessern, um das Temperaturprofil innerhalb des abgedichteten Hohlraums des Sensors zu messen. Sie werden auch häufig in Wärmeflusssensoren und Pyrheliometern sowie in Sicherheitskontrollen für Gasbrenner eingesetzt. Die Leistung einer Thermosäule liegt normalerweise im Bereich von zehn oder Hunderten von Millivolt. Neben der Erhöhung des Signalpegels kann die Vorrichtung verwendet werden, um eine räumliche Temperaturmittelung bereitzustellen.

Thermosäule, bestehend aus mehreren Thermoelementen in Reihe. Wenn sowohl der rechte als auch der linke Übergang die gleiche Temperatur haben, heben sich die Spannungen auf Null auf. Wenn jedoch eine Temperaturdifferenz zwischen den Seiten besteht, ist die resultierende Gesamtausgangsspannung gleich der Summe der Sperrschichtspannungsdifferenzen.

Thermosäulen werden auch zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet, beispielsweise aus Wärme von elektrischen Bauteilen, Sonnenwind, radioaktiven Stoffen, Laserstrahlung oder Verbrennung. Der Prozess ist auch ein Beispiel für den Peltier-Effekt (elektrischer Strom, der Wärmeenergie überträgt), da der Prozess Wärme von den heißen zu den kalten Übergängen überträgt.

Es gibt auch die sogenannten Thermosäulen-Sensoren, bei denen es sich um Leistungsmesser handelt, die auf dem Prinzip basieren, dass die optische oder Laserleistung in Wärme umgewandelt wird und der daraus resultierende Temperaturanstieg von einer Thermosäule gemessen wird.