热电偶温度传感器实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，并利用所产生的热电势测量温度。热电偶是一种直接测量温度的仪表，将温度信号转换为热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
热电偶分为度表和自由端。度表是测量介质的温度，分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的。不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。
热电偶的测量误差主要受以下因素影响：插入深度、响应时间、热阻抗增加、热辐射。在选择热电偶测温点时，应考虑测温点的典型性和代表性，以保证测量与控制的意义。热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶温度传感器与被测对象的温度不一致而产生测温误差。
接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。
热电偶的测量端直径也是其主要因素。偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。在高温下使用的热电偶温度传感器，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。
例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶温度传感器，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。插入炉内用于测温的热电偶温度传感器，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。一般情况下，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外，热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面；热电偶好带有热辐射遮蔽套。
