ترموپیل برای اندازه گیری اختلاف دما استفاده می شود. انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. از چندین ترموکوپل متصل به صورت سری یا موازی استفاده می کند. ترموپیل ها برای سنجش دمای بدون تماس استفاده می شوند. وظیفه ترموپیل انتقال تابش گرمایی ساطع شده از جسم به خروجی ولتاژ الکتریکی است. خروجی در محدوده ده ها یا صدها میلی ولت است.
عملکرد ترموپیل
سنسور ترموپیل برای اندازه گیری دما از فاصله دور با تشخیص انرژی مادون قرمز (IR) یک جسم داغ طراحی شده است. هر چه دمای جسم داغ بالاتر باشد، انرژی IR بیشتری ساطع می کند. نموداری که اندازه گیری دمای بدون تماس را نشان می دهد به صورت زیر نشان داده شده است:
در اینجا به عنوان یک سنسور برای تشخیص دما، ترموکوپل در پیرومترهای غیر تماسی استفاده می‌شود و ترموکوپل بر اساس اصل اثر Seebeck، ترمو-EMF (در mV) تولید می‌کند. هنگامی که سنسور در فاصله ای نه تقریباً داغ قرار می گیرد، خروجی یک ترموکوپل منفرد برای تشخیص بسیار کوچک خواهد بود. به همین دلیل، سازندگان ابزار، آرایه‌ای از ترموکوپل‌های متصل به سری به نام ترموپایل را برای تولید سیگنال الکتریکی قوی‌تر (در محدوده 10 تا 100 میلی‌ولت) ارائه می‌کنند. نمودار مفهومی سنسور با استفاده از ترموکوپل به صورت زیر ارائه شده است:
اصل کار ترموپیل
برای درک ترموپیل، از چهار ترموکوپل نوع E (کرومل و کنستانتان) در این مثال استفاده شده و به صورت سری به هم متصل شده اند، به گونه ای که تمام ولتاژهای «اتصال گرم» و همچنین ولتاژ «اتصال سرد» به یکدیگر کمک می کنند. با این حال، مانند تمام مدارهای ترموکوپل، ولتاژ هر پیوند سرد با ولتاژ اتصال گرم مخالف است. هنگامی که اتصال گرم تمام ترموکوپل ها به سمت جسم داغ باشد، حس کردن گرما و اتصال سرد یکسان ترموکوپل ها در همان دمای اتصال سرد نگه داشته می شوند، خروجی نهایی چهار برابر اختلاف پتانسیل نسبت به یک ترموکوپل نوع E منفرد ایجاد می کند. بنابراین، مانند ترموکوپل ضرب شده عمل می کند و ولتاژ بیشتری نسبت به یک اتصال ترموکوپل در شرایط دمایی یکسان تولید می کند.
ساخت ترموپیل
ساخت یک ترموپیل در شکل زیر نشان داده شده است:
عنصر حسگر از ترموکوپل های کوچک روی یک تراشه سیلیکونی تشکیل شده است که انرژی را جذب کرده و یک سیگنال خروجی تولید می کند. در اینجا یک سنسور مرجع برای جبران در بسته طراحی شده است. سنسورهای دمای مادون قرمز Thermopile (IR) دمای غیر تماسی را اندازه‌گیری می‌کنند و با لنزها و فیلترهای مختلفی در دسترس هستند که امکان استفاده در کاربردهای متعدد، از پیرومترهای صنعتی، کنترل‌های آب و هوا و دستگاه‌های پزشکی را فراهم می‌کنند. دو نوع متمایز از آشکارسازهای حرارتی وجود دارد:
- ترموپیل مبتنی بر لایه نازک
- ترموپیل مبتنی بر سیلیکون.
برای ترموپیل های مبتنی بر لایه نازک، مواد بازو آنتیموان (Sb) و بیسموت (Bi) هستند. در یک ترموپیل مبتنی بر سیلیکون، مواد بازو می‌توانند متناوب از نوع n و نوع p پلی سیلیکون یا نوع n با طلا (Au) یا آلومینیوم (Al) باشند. بر اساس لایه نازک مقاومت کمتر و ولتاژ نویز کمتری نسبت به سیلیکونی دارد. بنابراین آشکارسازهای فیلم نازک نسبت سیگنال به نویز بالاتری را ارائه می دهند. نوع لایه نازک با خروجی برابر با خروجی سیلیکونی ثابت زمانی کندتر خواهد داشت. به طور کلی، لایه های نازک مبتنی بر مناطق فعال بزرگتر در دسترس هستند.
