Термопары предназначены для контроля температуры жидких, твердых, сыпучих, газообразных сред, в том числе агрессивных. Термопара состоит из двух соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно из металлических проводников, реже из полупроводников). Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Если контакты (обычно спаи) проводящих элементов, образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает эдс (термоэдс), величина которой однозначно определяется температурой контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов. Для измерения температуры некоторого тела один спай термопары приводят в контакт с этим телом, а второй спай термостатируется, или измеряется его температура и погрешность вычисляется расчетным способом.

Обозначения рисунка 1: «А» и «В» - электропроводящие элементы различной природы. Температуры контактов - Т₁ и Т₂. Если они не равны, то между контактами возникает разность потенциалов, для измерения которой в цепь термопары включен вольтметр.
В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур контактов . Коэффициент называется коэффициентом Зеебека (термоэлектрической способностью пары, термосило, коэффициентом термоэдс или удельной термоэдс) и зависит от материала проводников и интервала температур. Следует отметить, что значение коэффециента Зеебека очень чувствительно к наличию примесей, ориентации кристаллических зерен и т.п.
Возникновение термоэдс связано с несколькими физическими эффектами:
а) Если однородный проводник в форме стержня нагреть с одного конца, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце электрический заряд накапливается до тех пор, пока между горячей и холодной областями не возникнет разность потенциалов такая, что поток электронов остановится. В полупроводниках имеет смысл говорить о потоках дырок и электронов (в зависимости от типа проводимости). Кроме того, в полупроводниках концентрация носителей электрического тока растет с увеличением температуры. При этом возможна ситуация, при которой электрические поля, возникающие из-за диффузии электронов и дырок взаимно компенсируют друг друга, и разности потенциалов между концами проводника не возникает. Такой случай имеет место в свинце. Вот почему коэффициент Зеебека всех материалов принято выражать относительно свинца. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи термопары создает одну из составляющих термоэдс, которая называется объемной.
б) Следующий вклад в термоэдс связан с зависимостью контактной разности потенциалов от температуры. Известно, что если привести в контакт два проводника, то в тонком при контактном слое возникнет разность потенциалов, которая называется контактной разностью потенциалов. Возникновение контактной разности потенциалов связано с тем, что химические потенциалы свободных электронов в проводниках различны для различных материалов. При приведении проводников в контакт возникнет электрический ток, стремящийся выровнять химические потенциалы проводников (так как в состоянии равновесия они должны быть равны). При этом проводник с исходно меньшим химическим потенциалом будет заряжаться отрицательно, а проводник с исходно большим химическим потенциалом – положительно. Поток будет продолжаться до тех пор, пока разность потенциалов на контакте не станет достаточной для выравнивания химических потенциалов. Теперь рассмотрим термопару, имеющую два подобных контакта, находящихся при одинаковой температуре. Если совершить обход по замкнутому контуру термопары, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля (разность потенциалов по модулю одинакова на обоих контактах). Циркуляция вектора напряженности тем самым будет равна нулю. Теперь, если один из контактов нагреть, то разности потенциалов на контактах станут разными, так как химический потенциал зависит от температуры металла. Циркуляция напряженности электрического поля станет отличной от нуля, то есть появится эдс в замкнутой цепи.
в) Эффект увлечения электронов фононами. В образце, в котором создан градиент температуры, возникает поток фононов, направленный из области с большей температуры в область с меньшей температуры. В результате неупругих соударений с электронами фононы передают им часть своего квазиимпульса, в результате возникает поток электронов (ток увлечения), направленный в ту же сторону, что и поток фононов. Эта составляющая термоэдс при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше других.
г) В магнетиках играет роль также эффект увлечения электронов магнонами.
На основании изложенных соображений следует ожидать, что термоэлектрические свойства должны быть выражены существенно сильнее у полупроводников, чем у металлов. Действительно, электроны в металлах находятся в состоянии вырождения. Их энергия весьма слабо зависит от температуры, а концентрация имеет одинаковые значения при низких и при высоких температурах. Слабо зависит и положение уровня Ферми (химического потенциала) в металлах. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы имеет порядок микровольт на кельвин, в то время как для полупроводников оно в среднем 100 раз больше.
 

Термопары используются для контроля температуры жидких, твердых, сыпучих, газообразных сред, в том числе агрессивных. Термопары используются в самых различных диапазонах температур: от нескольких К до примерно 2800 К. Точность измерения обычно составляет несколько К. Помимо термометрии могут использоваться как датчики температуры в различных автоматизированных системах контроля.

Термоэлектричество может быть использовано для генерации электрического тока. Отдельная термопара имеет слишком малую электродвижущую силу. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи, при этом все начетные спаи поддерживают при одной температуре, а все четные - при другой. В результате электродвижущие силы отдельных элементов складываются. Такая машина обладает низким КПД (менее 15%) из-за больших потерь на теплопроводность и джоулев нагрев.

Наиболее распространенный датчик температуры. Термопара (термоэлектрический преобразователь) типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются ко входу измерителей-регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то термопара вырабатывает термоЭДС. которая и подается на прибор.

Принцип работы термопреобразователей сопротивления ТСМ, ТСП, Pt100 основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Термопреобразователи выполняют в виде катушки из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала, заключенной в защитную гильзу.
термометр сопротивленияТермопреобразователи сопротивления характеризуются двумя параметрами: RQ — сопротивление датчика при 0 °С и tV-ioo — отношение сопротивления датчика при 100 'С к его сопротивлению при 0 °С. Для подключения термопреобразователей сопротивления к приборам используется трехпроводная схема, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры). К одному из выводов терморезистора подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу . При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов.
Термопреобразователи сопротивления могут подключаться к прибору с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и поэтому будет наблюдаться некоторая зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов.