Thermosäule (Thermopile)

Thermosäulen sind Strahlungsdetektoren, die elektromagnetische Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich in ein elektrisches Signal umwandeln können.

Die einfallende, fokussierte Strahlung führt zu einer Temperaturänderung in einem Material mit hoher Absorption. Wie bei Thermoelementen entsteht durch den Seebeck-Effekt eine kleine elektrische Spannung an den Kontaktstellen zweier verschiedener Metalle, wenn zwischen den Kontaktpunkten ein Temperaturunterschied besteht. Werden nun mehrere solcher Thermoelemente (z. B. 80 Stück) thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet, kann eine ausreichend hohe thermoelektrische Spannung erzeugt werden, die als Messsignal dient. Eine solche Anordnung wird als thermoelektrischer Stapel oder Thermosäule bezeichnet.

Diese Detektoren besitzen Zeitkonstanten von etwa 7 ms bis 150 ms. Wird diese Technologie für die berührungslose Infrarot-Temperaturmessung eingesetzt, kann die Temperatur eines Messobjekts deutlich schneller bestimmt werden als bei einer Kontaktmessung. Thermosäulen erzeugen zudem ein auswertbares Signal auch für Szenen, die deutlich kälter sind als der Detektor selbst. Dadurch können auch Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur oder der Detektortemperatur gemessen werden. Messbereiche ab –40 °C sind möglich. Moderne Thermosäulen erzeugen eine so starke thermoelektrische Spannung, dass ihr Signal direkt, also ohne Verstärkung, über eine mehrere Meter lange Signalleitung übertragen werden kann. Da der Detektor selbst Temperaturen bis zu 250 °C standhält, ermöglicht der Verzicht auf eine Verstärkerschaltung den Aufbau eines Sensors mit einem erstaunlich großen Umgebungstemperaturbereich, was mit Quantendetektoren nicht möglich ist. Wird eine Verstärkung eingesetzt, um die Temperaturauflösung zu maximieren, können Werte von weniger als 0,1 K (z. B. 0,025 K) erreicht werden.