Thermopile

Un thermopile est un appareil électronique qui convertit l’énergie thermique en énergie électrique. Il est composé de plusieurs thermocouples connectés généralement en série ou, plus rarement, en parallèle. Un tel dispositif fonctionne sur le principe de l’effet thermoélectrique, c’est-à-dire qu’il génère une tension lorsque ses métaux différents (thermocouples) sont exposés à une différence de température.

Schéma d’un thermopile à température différentielle avec deux ensembles de paires de thermocouples connectés en série. Les deux jonctions de thermocouple supérieures sont à la température T1 tandis que les deux jonctions de thermocouple inférieures sont à la température T2. La tension de sortie de la thermopile, ΔV, est directement proportionnelle au différentiel de température, ΔT ou T1-T2, à travers la couche de résistance thermique et le nombre de paires de jonctions de thermocouples. La sortie de tension thermopile est également directement proportionnelle au flux thermique, q », à travers la couche de résistance thermique.

Image d’un capteur de flux de chaleur qui utilise une construction thermopile pour mesurer directement le flux de chaleur. Le modèle illustré est le capteur de flux thermique FluxTeq PHFS-01. La sortie de tension est induite passivement à partir de la thermopile proportionnelle au flux de chaleur à travers le capteur ou de même à la différence de température à travers le substrat à couche mince et au nombre de paires de jonctions de thermocouples. Cette tension sortie de la pile thermique du capteur est initialement calibrée pour la relier au flux thermique.

Les thermocouples fonctionnent en mesurant le différentiel de température de leur point de jonction au point où la tension de sortie du thermocouple est mesurée. Une fois qu’un circuit fermé est composé de plus d’un métal et qu’il existe une différence de température entre les jonctions et les points de transition d’un métal à un autre, un courant est produit comme s’il était généré par une différence de potentiel entre la jonction chaude et froide.

Les thermocouples peuvent être connectés en série sous forme de paires de thermocouples avec une jonction située de part et d’autre d’une couche de résistance thermique. La sortie de la paire de thermocouples sera une tension directement proportionnelle à la différence de température à travers la couche de résistance thermique et également au flux thermique à travers la couche de résistance thermique. L’ajout de paires de thermocouples supplémentaires en série augmente l’amplitude de la sortie de tension. Les thermopiles peuvent être construits avec une seule paire de thermocouples, composée de deux jonctions de thermocouples, ou de plusieurs paires de thermocouples.

Les thermopiles ne répondent pas à la température absolue, mais génèrent une tension de sortie proportionnelle à une différence de température locale ou à un gradient de température. La quantité de tension et de puissance sont très faibles et elles sont mesurées en milli-watts et en milli-volts à l’aide de dispositifs contrôlés spécialement conçus à cet effet.

Les thermopiles sont utilisés pour fournir une sortie en réponse à la température dans le cadre d’un appareil de mesure de la température, tel que les thermomètres infrarouges largement utilisés par les professionnels de la santé pour mesurer la température corporelle, ou dans les accéléromètres thermiques pour mesurer le profil de température à l’intérieur de la cavité scellée du capteur. Ils sont également largement utilisés dans les capteurs de flux de chaleur et les pyrhéliomètres et les commandes de sécurité des brûleurs à gaz. La sortie d’un thermopile est généralement de l’ordre de dizaines ou de centaines de millivolts. En plus d’augmenter le niveau du signal, le dispositif peut être utilisé pour fournir une moyenne spatiale de la température.

Thermopile, composé de plusieurs thermocouples en série. Si les jonctions droite et gauche ont la même température, les tensions s’annulent à zéro. Cependant, s’il y a une différence de température entre les côtés, la tension de sortie totale résultante est égale à la somme des différentiels de tension de jonction.

Les thermopiles sont également utilisés pour générer de l’énergie électrique à partir, par exemple, de la chaleur des composants électriques, du vent solaire, des matières radioactives, du rayonnement laser ou de la combustion. Le procédé est également un exemple de l’effet Peltier (courant électrique transférant l’énergie thermique) car le procédé transfère la chaleur des jonctions chaudes vers les jonctions froides.

Il existe également les capteurs dits thermopiles, qui sont des compteurs de puissance basés sur le principe que la puissance optique ou laser est convertie en chaleur et que l’augmentation de température qui en résulte est mesurée par une thermopile.