Eine Thermosäule ist ein thermoelektrisches Gerät, das aus einer Reihe von in Reihe geschalteten Thermoelementen besteht. Es wird häufig in berührungslosen Temperaturmessanwendungen und Temperaturüberwachungssystemen verwendet. Thermopiles erfassen die Temperatur eines Objekts, indem sie die Infrarotstrahlung (IR) absorbieren, die von der Oberfläche des Objekts emittiert wird. Die meisten Detektoren des Geräts sind mit einer schwarzen Körperoberfläche ausgestattet, um die IR-Strahlung effektiv zu absorbieren.
Die Thermoelemente, aus denen eine Thermosäule besteht, bestehen aus zwei an einem Ende verschweißten Streifen unterschiedlicher Metalle. Jedes Thermoelement erzeugt eine Spannung, die proportional zum Temperaturunterschied zwischen dem „heißen“ und dem „kalten“ Ende ist, was als Seebeck-Effekt bekannt ist. Die Gesamtausgangsspannung eines dieser Geräte ist jedoch deutlich höher als die eines Thermoelements.
In einem Thermopile-Detektor sind die „heißen Verbindungsstellen“ der Thermoelemente der einfallenden IR-Strahlung des Objekts ausgesetzt, während die „kalten Verbindungsstellen“ mit einem Kühlkörper verbunden sind, der normalerweise ein Siliziumdioxid-Substrat ist. Sobald der Detektor auf das Objekt gerichtet ist, fließt Wärme vom Objekt zur Thermosäule. Dieser Wärmefluss erzeugt einen erheblichen Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Stellen, und dies trägt zu einer Erhöhung des elektrischen Ausgangssignals der Thermosäule bei. Um dieses Ausgangssignal einfach messen zu können, kann ein rauschfreier Ausgangsverstärker verwendet werden.
Wenn bei Wärmesensoren die IR-Strahlung eines Objekts vom Thermosäulensensor absorbiert wird, addieren sich die Einzelspannungen der Thermoelemente zu einer hohen Ausgangsspannung. Die meisten Thermopiles haben eingebaute Thermistoren. Dies liegt daran, dass das Ausgangssignal proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Objekt und der Thermosäule ist und ein Thermistor bei der Registrierung der Temperatur hilft.
Das Aufkommen der siliziumbasierten Mikrobearbeitungstechnologie hat zur leichten Verfügbarkeit kostengünstiger Thermopile-Detektoren geführt. Diese sind in einer Reihe von Branchen weit verbreitet. Unter anderem werden sie in medizinischen Anwendungen wie Ohrthermometern, Wärmesensoranwendungen wie Mikrowellenherden und Haartrocknern und Gasdetektionsanwendungen wie CO2-Sensoren verwendet.
Gasdetektoren verwenden Thermosäulen zum Messen der Konzentration von Gasen in der Atmosphäre durch IR-Absorption. CO2-Sensoren werden beispielsweise in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanwendungen (HLK) eingesetzt, die die Raumluftqualität (IAQ) überprüfen und eine bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV) ermöglichen. Diese Gasdetektoren haben ein breites Spektrum industrieller Anwendungen, wie zum Beispiel das Aufspüren von Gaslecks, das Messen des CO2-Gehalts von Deponien, die Überwachung des CO2-Gehalts in der Ausatemluft von Patienten und Feueralarmanwendungen.