Thermopile

Una termopila es un dispositivo electrónico que convierte la energía térmica en energía eléctrica. Se compone de varios termopares conectados generalmente en serie o, menos comúnmente, en paralelo. Tal dispositivo funciona según el principio del efecto termoeléctrico, es decir, genera un voltaje cuando sus metales diferentes (termopares) están expuestos a una diferencia de temperatura.

Diagrama de una termopila de temperatura diferencial con dos conjuntos de pares de termopares conectados en serie. Las dos uniones de termopar superiores están a temperatura T1, mientras que las dos uniones de termopar inferiores están a temperatura T2. El voltaje de salida de la termopila, ΔV, es directamente proporcional al diferencial de temperatura, ΔT o T1 – T2, a través de la capa de resistencia térmica y el número de pares de uniones de termopar. La salida de tensión de la termopila también es directamente proporcional al flujo de calor, q», a través de la capa de resistencia térmica.

Imagen de un sensor de flujo de calor que utiliza una construcción de termopila para medir directamente el flujo de calor. El modelo que se muestra es el sensor de flujo de calor FluxTeq PHFS-01. La salida de voltaje se induce pasivamente desde la termopila proporcional al flujo de calor a través del sensor o, de manera similar, la diferencia de temperatura a través del sustrato de película delgada y el número de pares de uniones de termopar. Esta salida de voltaje de la termopila del sensor se calibra inicialmente para relacionarla con el flujo de calor.

Los termopares funcionan midiendo el diferencial de temperatura desde su punto de unión hasta el punto en el que se mide la tensión de salida del termopar. Una vez que un circuito cerrado se compone de más de un metal y hay una diferencia de temperatura entre las uniones y los puntos de transición de un metal a otro, se produce una corriente como si fuera generada por una diferencia de potencial entre la unión caliente y fría.

Los termopares se pueden conectar en serie como pares de termopares con una unión ubicada a ambos lados de una capa de resistencia térmica. La salida del par de termopares será un voltaje que es directamente proporcional a la diferencia de temperatura a través de la capa de resistencia térmica y también al flujo de calor a través de la capa de resistencia térmica. Agregar más pares de termopares en serie aumenta la magnitud de la salida de voltaje. Los termopares se pueden construir con un solo par de termopares, compuesto por dos uniones de termopares, o múltiples pares de termopares.

Las termopilas no responden a la temperatura absoluta, pero generan un voltaje de salida proporcional a una diferencia de temperatura local o gradiente de temperatura. La cantidad de voltaje y potencia son muy pequeñas y se miden en mili-vatios y mili-voltios utilizando dispositivos controlados que están diseñados específicamente para tal fin.

Las termopilas se utilizan para proporcionar una salida en respuesta a la temperatura como parte de un dispositivo de medición de temperatura, como los termómetros infrarrojos ampliamente utilizados por profesionales médicos para medir la temperatura corporal, o en acelerómetros térmicos para medir el perfil de temperatura dentro de la cavidad sellada del sensor. También se utilizan ampliamente en sensores de flujo de calor y pirheliómetros y controles de seguridad de quemadores de gas. La salida de una termopila suele estar en el rango de decenas o cientos de milivoltios. Además de aumentar el nivel de señal, el dispositivo se puede utilizar para proporcionar un promedio de temperatura espacial.

Termopila, compuesta de múltiples termopares en serie. Si las uniones derecha e izquierda tienen la misma temperatura, los voltajes se cancelan a cero. Sin embargo, si hay una diferencia de temperatura entre los lados, la tensión de salida total resultante es igual a la suma de los diferenciales de tensión de unión.

Las termopilas también se utilizan para generar energía eléctrica, por ejemplo, calor de componentes eléctricos, viento solar, materiales radiactivos, radiación láser o combustión. El proceso también es un ejemplo del efecto Peltier (energía térmica de transferencia de corriente eléctrica), ya que el proceso transfiere calor de las uniones calientes a las frías.

También existen los llamados sensores de termopila, que son medidores de potencia basados en el principio de que la potencia óptica o láser se convierte en calor y el aumento de temperatura resultante se mide mediante una termopila.