Thermopile

Una termopila è un dispositivo elettronico che converte l’energia termica in energia elettrica. È composto da diverse termocoppie collegate solitamente in serie o, meno comunemente, in parallelo. Tale dispositivo funziona sul principio dell’effetto termoelettrico, cioè generando una tensione quando i suoi metalli dissimili (termocoppie) sono esposti a una differenza di temperatura.

Diagramma di una termopila a temperatura differenziale con due serie di coppie di termocoppie collegate in serie. Le due giunzioni superiori della termocoppia sono alla temperatura T1 mentre le due giunzioni inferiori della termocoppia sono alla temperatura T2. La tensione di uscita dalla termopila, ΔV, è direttamente proporzionale al differenziale di temperatura, ΔT o T1-T2, attraverso lo strato di resistenza termica e il numero di coppie di giunzione della termocoppia. L’uscita di tensione della termopila è anche direttamente proporzionale al flusso di calore, q”, attraverso lo strato di resistenza termica.

Immagine di un sensore di flusso di calore che utilizza una costruzione termopile per misurare direttamente il flusso di calore. Il modello mostrato è il sensore di flusso di calore FluxTeq PHFS-01. L’uscita di tensione è passivamente indotta dalla termopila proporzionale al flusso di calore attraverso il sensore o allo stesso modo la differenza di temperatura attraverso il substrato a film sottile e il numero di coppie di giunzione della termocoppia. Questa tensione in uscita dalla termopila del sensore è inizialmente calibrata per relazionarla al flusso di calore.

Le termocoppie funzionano misurando il differenziale di temperatura dal loro punto di giunzione al punto in cui viene misurata la tensione di uscita della termocoppia. Una volta che un circuito chiuso è costituito da più di un metallo e c’è una differenza di temperatura tra giunzioni e punti di transizione da un metallo all’altro, viene prodotta una corrente come generata da una differenza di potenziale tra la giunzione calda e fredda.

Le termocoppie possono essere collegate in serie come coppie di termocoppie con una giunzione situata su entrambi i lati di uno strato di resistenza termica. L’uscita dalla coppia di termocoppie sarà una tensione direttamente proporzionale alla differenza di temperatura attraverso lo strato di resistenza termica e anche al flusso di calore attraverso lo strato di resistenza termica. L’aggiunta di più coppie di termocoppie in serie aumenta la grandezza della tensione di uscita. Le termopili possono essere costruite con una singola coppia di termocoppie, composta da due giunzioni a termocoppia o da più coppie di termocoppie.

Le termopili non rispondono alla temperatura assoluta, ma generano una tensione di uscita proporzionale a una differenza di temperatura locale o a un gradiente di temperatura. La quantità di tensione e potenza sono molto piccoli e sono misurati in milli-watt e milli-volt utilizzando dispositivi controllati che sono specificamente progettati per tale scopo.

Le termopili sono utilizzate per fornire un’uscita in risposta alla temperatura come parte di un dispositivo di misurazione della temperatura, come i termometri a infrarossi ampiamente utilizzati dai professionisti medici per misurare la temperatura corporea, o negli accelerometri termici per misurare il profilo di temperatura all’interno della cavità sigillata del sensore. Sono anche ampiamente utilizzati nei sensori di flusso di calore e nei pireliometri e nei controlli di sicurezza dei bruciatori a gas. L’uscita di una termopila è solitamente nell’intervallo di decine o centinaia di millivolt. Oltre ad aumentare il livello del segnale, il dispositivo può essere utilizzato per fornire una media della temperatura spaziale.

Termopile, composto da termocoppie multiple in serie. Se entrambe le giunzioni destra e sinistra hanno la stessa temperatura, le tensioni si annullano a zero. Tuttavia, se c’è una differenza di temperatura tra i lati, la tensione di uscita totale risultante è uguale alla somma dei differenziali di tensione di giunzione.

Le termopili sono anche utilizzate per generare energia elettrica da, ad esempio, calore da componenti elettrici, vento solare, materiali radioattivi, radiazioni laser o combustione. Il processo è anche un esempio dell’effetto Peltier (corrente elettrica che trasferisce energia termica) poiché il processo trasferisce calore dalle giunzioni calde a quelle fredde.

Esistono anche i cosiddetti sensori termopili, che sono misuratori di potenza basati sul principio che la potenza ottica o laser viene convertita in calore e il conseguente aumento della temperatura viene misurato da una termopila.