Termopiili

termopiili on elektroninen laite, joka muuntaa lämpöenergian sähköenergiaksi. Se koostuu useista termopareista, jotka on liitetty toisiinsa yleensä sarjoina tai harvemmin rinnakkain. Tällainen laite toimii termosähköisen vaikutuksen periaatteella eli tuottaa jännitteen, kun sen erilaiset metallit (termoparit) altistuvat lämpötilaerolle.

Diagrammi differentiaalilämpötilan termopiilistä, jossa on kaksi sarjaa termopareja, jotka on kytketty sarjaan. Kaksi ylintä termoparin liitosta ovat lämpötilassa T1, kun taas kaksi alinta termoparin liitosta ovat lämpötilassa T2. Termopiilin ulostulojännite ΔV on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon ΔT tai T1 – T2 lämpövastuskerroksen poikki ja termoparin liitosparien lukumäärään. Termopiilijännitteen lähtö on myös suoraan verrannollinen lämpövuotoon, q”, lämpövastuskerroksen kautta.

Kuva lämpövuo-anturista, joka käyttää termopiilirakennetta suoraan lämpövuon mittaamiseen. Esitetty malli on fluxteq PHFS-01 lämpövuo-anturi. Jännitelähtö indusoituu passiivisesti termopiilistä suhteessa anturin kautta kuluvaan lämpövirtaan tai vastaavasti ohutkalvoalustan lämpötilaeroon ja termoparin liitosparien lukumäärään. Tämä anturin termopiilin jännite kalibroidaan aluksi, jotta se voidaan suhteuttaa lämpövirtaan.

termoparit toimivat mittaamalla lämpötilaero niiden liitoskohdasta pisteeseen, jossa termoparin lähtöjännite mitataan. Kun suljettu piiri koostuu useammasta kuin yhdestä metallista ja liitosten ja siirtymäpisteiden välillä on lämpötilaero yhdestä metallista toiseen, syntyy virta ikään kuin kuuman ja kylmän liitoksen potentiaalierosta.

termoparit voidaan liittää sarjaan termopareina, joiden liitos sijaitsee lämpövastuskerroksen molemmin puolin. Termoelementtiparin lähtö on jännite, joka on suoraan verrannollinen lämpövastuskerroksen lämpötilaeroon ja myös lämpövastuskerroksen läpi kuluvaan lämpövirtaan. Lisää termopareja sarjoina lisää jännitelähdön suuruutta. Termoparit voidaan konstruoida yhdellä termoparin parilla, joka koostuu kahdesta termoparin liitoksesta, tai useammalla termoparin parilla.

Termopiilit eivät reagoi absoluuttiseen lämpötilaan, vaan tuottavat ulostulojännitteen, joka on verrannollinen paikalliseen lämpötilaeroon tai lämpötilagradienttiin. Jännitteen ja tehon määrä on hyvin pieni, ja ne mitataan milli-watteina ja millivoltteina käyttäen ohjattuja laitteita, jotka on erityisesti suunniteltu tähän tarkoitukseen.

Termopiilejä käytetään lämpötilan vasteen antamiseen osana lämpötilan mittauslaitetta, kuten infrapunalämpömittareita, joita lääketieteen ammattilaiset käyttävät laajalti kehon lämpötilan mittaamiseen, tai lämpökiihdytysmittareissa, joilla mitataan lämpötilaprofiilia anturin suljetun ontelon sisällä. Niitä käytetään myös laajalti lämpövuo-antureissa ja pyrheliometreissä sekä kaasupolttimen turvaohjaimissa. Termopiilin teho on yleensä kymmenien tai satojen millivolttien luokkaa. Signaalin tason nostamisen lisäksi laitetta voidaan käyttää tilalämpötilan keskiarvon määrittämiseen.

Thermopile, joka koostuu useista termopareista sarjassa. Jos sekä oikea että vasen liittymä ovat sama lämpötila, Jännitteet kumoavat nollaan. Jos kuitenkin sivujen välillä on lämpötilaero, tuloksena oleva kokonaislähtöjännite on yhtä suuri kuin liitosjänniteerojen summa.

Termopiilejä käytetään myös tuottamaan sähköenergiaa esimerkiksi sähkökomponenttien lämmöstä, aurinkotuulesta, radioaktiivisista aineista, lasersäteilystä tai palamisesta. Prosessi on myös esimerkki Peltier-ilmiöstä (lämpöenergiaa siirtävä sähkövirta), kun prosessi siirtää lämpöä kuumasta kylmiin liittymiin.

on olemassa myös niin sanottuja termopiiliantureita, jotka ovat tehomittareita, jotka perustuvat periaatteeseen, että optinen tai laserteho muunnetaan lämmöksi ja siitä aiheutuva lämpötilan nousu mitataan termopiilillä.