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熱電偶的結構有兩種，普通型和鎧裝型。從理論上講，任何兩種不同導體（或半導體）都可以配制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求是多方面的。普通性熱電偶一般由熱電極，絕緣管，保護套管和接線盒等部分組成，而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲，絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后，經過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。但是熱電偶的電信號卻需要一種特殊的導線來進行傳遞，這種導線我們稱為補償導線。不同的熱電偶需要不同的補償導線，其主要作用就是與熱電偶連接，使熱電偶的參比端遠離電源，從而使參比端溫度穩定。補償導線又分為補償型和延長型兩種，延長導線的化學成分與被補償的熱電偶相同，但是實際中，延長型的導線也并不是用和熱電偶相同材質的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導線代替。補償導線的與熱電偶的連線一般都是很明了，熱電偶的正極連接補償導線的紅色線，而負極則連接剩下的顏色。一般的補償導線的材質大部分都采用銅鎳合金。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。常用的熱電偶從零下50度——1600度均可連續測量，某些特殊熱電偶可測到-269度（如金鐵鎳鉻），可達2800度（如鎢、錸）。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時，冷端的（環境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。

兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。所謂標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。