Перейти к содержанию

Термобатарея (thermopile)

Чтобы измерить температуру предмета, не касаясь его, нужно поймать его тепловое излучение и превратить в напряжение. В ИК-термометрах это делает термобатарея — десятки крошечных термопар, горячие спаи которых сидят на тонкой мембране, нагреваемой излучением.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Термобатарея (thermopile) — цепочка последовательно соединённых термопар, чьи напряжения складываются. В инфракрасных термометрах она служит приёмником излучения: по описанию Melexis для MLX90614, холодные спаи расположены на толстой подложке кристалла, а горячие — на тонкой мембране, которую нагревает (или охлаждает) поглощённое ИК-излучение объекта. Разность температур спаев даёт напряжение, как у обычной термопары.

Сигнал

Melexis приводит выражение для выходного сигнала термобатареи:

Vir(Ta,To)=A⋅(To4−Ta4)V_\text{ir}(T_a, T_o) = A \cdot \left(T_o^4 - T_a^4\right)

To — абсолютная температура объекта, Ta — абсолютная температура кристалла датчика, A — общая чувствительность. Четвёртые степени — следствие закона излучения: энергия теплового излучения растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры. Поэтому, чтобы найти To, нужно знать Ta: в MLX90614 температуру кристалла измеряет встроенный датчик PTAT, а пересчёт делает DSP — роль, похожая на компенсацию холодного спая у термопар.

Параметры на примере MLX90614

ПараметрЗначение
Диапазон объекта−70…+380 °C
Диапазон датчика−40…+125 °C
Точность0,5 °C при 0…+50 °C
Разрешение0,02 °C
ВыходSMBus, ШИМ

Что важно при измерении

  • Поле зрения. Датчик показывает среднюю температуру всех объектов в своём поле зрения, поэтому объект должен его заполнять.
  • Тепловые градиенты. Melexis гарантирует точность только в тепловом равновесии, без перепадов температуры по корпусу; версии MLX90614xCx частично их компенсируют.
  • Излучательная способность. Датчик калибруют для объекта с ε = 1; блестящие металлы излучают слабо и отражают окружение — подробнее в статье об излучательной способности.

В отличие от пироэлектрического датчика, который замечает только изменения потока, термобатарея видит и неподвижный объект. Матрица из таких приёмников — тепловизор MLX90640; подключение обоих датчиков — в статье «ИК-термометр и тепловизор».

Частые вопросы

Чем термобатарея отличается от термопары?

Термобатарея — это много термопар, соединённых последовательно, так что их напряжения складываются. В ИК-приёмнике горячие спаи размещены на тонкой мембране, которая нагревается излучением, а холодные — на массивной подложке. Одна термопара дала бы слишком слабый сигнал от теплового излучения, цепочка — во столько раз больше, сколько в ней термопар, то есть пар горячий — холодный спай.

Почему сигнал термобатареи зависит от температуры самого датчика?

Потому что мембрана обменивается излучением с объектом в обе стороны: по формуле Melexis сигнал пропорционален To⁴ − Ta⁴, где To — температура объекта, Ta — температура самого кристалла, обе в кельвинах. Если объект холоднее датчика, мембрана охлаждается и сигнал меняет знак. Поэтому в MLX90614 есть отдельный датчик температуры кристалла, и пересчёт делает встроенный DSP.

Чем термобатарея отличается от пироэлектрического датчика?

Термобатарея даёт сигнал, пропорциональный разности потоков излучения, и видит неподвижный тёплый объект — поэтому её используют для измерения температуры. Пироэлектрический элемент PIR-датчика реагирует только на изменение излучения и годится для обнаружения движения, но не для термометрии.

Источники

  1. Melexis. MLX90614 Single and dual zone IR sensor in TO39, Datasheet Rev 021 (02-Jun-2026), DOC#3901090614 — ИК-термометр: в корпусе TO-39 кристалл термобатареи и ASSP обработки сигнала, малошумящий усилитель, 17-битный АЦП, DSP; заводская калибровка: −40…+125 °C для датчика, −70…+380 °C для объекта; точность 0,5 °C при 0…+50 °C; разрешение 0,02 °C; разд. 4.1.8: ИК-датчик — последовательно соединённые термопары, холодные спаи на толстой подложке, горячие — на тонкой мембране, которую нагревает (или охлаждает) поглощённое излучение; выход Vir(Ta, To) = A·(To⁴ − Ta⁴), температуры в кельвинах, A — чувствительность; температуру кристалла меряет встроенный датчик PTAT; результат — среднее по всем объектам в поле зрения; точность гарантирована в тепловом равновесии без градиентов по корпусу; версии xCx компенсируют градиенты; разд. 5.8: поток излучения между датчиком и объектом содержит постоянную Стефана — Больцмана и четвёртые степени абсолютных температур
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 9 «Electrical Instrumentation Signals», разд. «Thermocouples» (CC BY) — термопара — пара разнородных металлов, эффект Зеебека; напряжения в десятки милливольт; два спая, включённые встречно, дают напряжение, пропорциональное разности их температур; термобатарея (thermopile) — много термопар последовательно с чередованием горячих и холодных спаев, выходное напряжение — сумма разностей по всем парам спаев

Нашли ошибку?

Смотрите также