Thermopile

Eine Thermopile ist ein Gerät, das aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen besteht, sodass sich die kleinen erzeugten Spannungen zu einem messbaren Signal addieren. Jede Thermoelement-Lötstelle erzeugt bei einer Temperaturdifferenz nur Millivolt, aber die Reihenschaltung von 50, 100 oder mehr Lötstellen kann eine Ausgangsspannung im Bereich von 5 bis 50 Millivolt liefern und das Signal damit praktikabel für die Verstärkung und Messung mit Standard-Elektronik machen.

Die zwei ungleichen Metalle in jedem Thermoelement (typischerweise Wismut und Antimon bei Infrarotsensoren) sind so angeordnet, dass ein Satz von Lötstellen an der Wärmequelle und der andere bei einer Referenztemperatur sitzt, oft ein Kühlkörper oder das Gerätegehäuse. Mit steigender Temperatur an der heißen Lötstelle treibt der Seebeck-Effekt Elektronen unterschiedlich durch die einzelnen Metalle, und die Spannungsdifferenz sammelt sich über alle in Reihe geschalteten Lötstellen an. Diese Reihenschaltung ist der Hauptunterschied zu einem einzelnen Thermoelement; während eine Lötstelle etwa 40 Mikrovolt pro Grad Celsius erzeugt, produzieren 100 Lötstellen 4 Millivolt pro Grad.

Infrarot-Thermopiles sind die häufigste industrielle Variante. Die heißen Lötstellen sind schwarz beschichtet und sitzen hinter einem Fenster oder einer Kuppel; Infrarotstrahlung von einer entfernten Oberfläche erwärmt sie ohne physischen Kontakt. Das Gerät misst die Objekttemperatur aus der Ferne und ist damit nützlich zur Überwachung von Öfen, in der Lebensmittelverarbeitung und bei zerstörungsfreien Prüfungen. Einige Modelle haben einen Thermistor in der Nähe, um die Umgebungstemperatur zu messen und diese automatisch auszugleichen.

Thermopiles werden in Pyrometern, Wärmebild-Kameras und Gasanalysatoren verwendet. Die Spezifikationen geben üblicherweise den Thermopile-Widerstand (Hunderte von Ohm bis einige Kilohm), die Empfindlichkeit in Mikrovolt pro Kelvin und die Zeitkonstante an (wie schnell das Gerät auf Temperaturänderungen reagiert). Das Signal ist klein genug, dass thermisches Rauschen und Leitungswiderstand erheblich sind; abgeschirmte Kabel und rauscharme Verstärker sind Standard, um Fehlmessungen zu vermeiden.

Der Hauptfehlermechanismus ist der Verlust des Vakuums oder des partiellen Drucks im versiegelten Gehäuse. Die meisten handelsüblichen Thermopiles werden auf etwa 0,01 Pa evakuiert, um Wärmeverluste durch Konvektion von den heißen Lötstellen zu minimieren; wenn die Versiegelung beschädigt wird, wird das Gerät träge und unzuverlässig. Mechanische Schocks und Temperaturschocks können auch das Substrat beschädigen, und längere Einwirkung sehr hoher Temperaturen kann die Metalleigenschaften verändern und die Kalibrierung verfälschen.