BE484356A

BE484356A - Procédés et appareils nouveaux de téléindication, télémesure ou télécommandeutilisant l'effet hall

Info

Publication number: BE484356A
Application number: BE484356A
Authority: BE
Inventors: Jr Albert Hansen
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1947-08-16
Filing date: 1948-08-13
Publication date: 1948-08-31
Also published as: US2536805A; GB647184A; FR970347A; BE484357R; CH272720A

Description


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  -UTILISATION DE   l'EFFET   HALL- 
L'invention concerne un procédé nouveau et les appareils en faisant appli- cation, servant à convertir un courant continu en courant alternatif; elle est remarquable en ce qu'elle utilise un modulateur à effet Hall. Ne mettant en oeu- vre aucun système à contact mobile, les appareils réalisés suivant l'invention sont très robustes, stables et d'un prix de revient peu élevé. Bien que n'étant pas limitée à l'emploi de ce corps, la demanderesse a trouvé que le germanium procure une sensibilité très élevée qui rend possible la conversion, puis l'am- plification de différences de potentiel continues extraordinairement petites. 



   Pour faciliter l'exposé de l'invention, on va en décrire une application à un appareil indicateur et enregistreur de température, où la mesure de celle-ci s'effectue au moyen d'un thermo-couple, par une méthode de zéro. 

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  Il est bien entendu que le choix de cet exemple nlimplique nullement une limita- tion de la portée de l'invention. La description qui suit fera d'ailleurs appa-   raître   que le nouveau procédé est applicable à de nombreux problèmes où il s'agit notamment de déceler et d'amplifier de faibles différences de potentiel. 



   La figure 1 représente le schéma d'un appareil indicateur, enregistreur et contrôleur de température à thermo-couple. 



   La   figure   2 est le schéma équivalent d'un élément de Hall au point de vue des fem , courants et résistances. 



   La figure 3 reproduit des courbes caractéristiques de la force électro- motrice transversale d'un élément de Hall en fonction de la tension longitudi- nale appliquée. 



   Sur la figure 1, on voit ,en 1, un thermocouple produisant une fem fonc- tion de la température qu'il s'agit de mesurer. Cette température peut être lue sur une échelle graduée 3, devant laquelle se déplace l'index 4; son diagramme s'inscrit sur la feuille 2 de l'enregistreur, En outre, le mouvement du curseur peut commander par les contacts terminaux 5 & 6 qui fixent les limites hautes et basses de la course, tout dispositif de correction de la température, par l'inter- médiaire des relais 7 et 8. 



   On compare, par une méthode d'opposition, la fem produite par le thermo- couple à la fem produite par une pile 9, au moyen d'un potentiomètre 10 dont le curseur 11 est automatiquement ramené à la position pour laquelle la somme des deux fem est nulle. La calibrage de l'appareil se fait en agissant sur le cur- seur 12. Si un déséquilibre vient à se manifester entre les deux forces électro- motrices, la résultante en est appliquée à un convertisseur 14 à effet   Hall*   
Celui-ci comporte un circuit magnétique feuilleté 16, excité par une bobine 17, laquelle est alimentée par une tension alternative de fréquence constante fournie par une source 18 qui peut être le secteur électrique. Le circuit magné- tique oomporte un entrefer dans lequel on place une plaque 14 d'un corps présen- tant un effet Hall élevé, tel que le germanium.

   Cette plaque est traversée par un flux magnétique alternatif suivant son épaisseur. A titre d'exemple et pour donner une idée de l'ordre de grandeur d'une plaque de Hall utilisée avec succès, on mentionnera en passant qu'une de celles-ci avait 14,2 mm. de longueur et 6,5 mm, de largeur. Il est bien évident qu'il ne faut attacher à ces dimensions aucune Importance particulière en ce qui concerne la portée de l'invention. 

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   La largeur et la hauteur de la plaque sont généralement fixées par des considérations de facilité, de manipulation et de fixation des connexions. Quant à l'épaisseur, il y a intérêt à ce qu'elle soit très petite, de préférence infé- rieure à 1,5 mm ; parce que la fem transversale due à l'effet Hall est, pour un champ magnétique et un courant longitudinal donnés, inversement proportionnelle à l'éspaisseur, C'est, en fin de compte, la résistance mécanique de la plaque qui en fixe la limite inférieure. Pour la plaque dont les dimensions ont été données ci-dessus, l'épaisseur était un peu supérieure à 2 mm. 



   Le germanium est un semi-conducteur extrêmement dur; il peut recevoir un poli remarquable, mais il est cassant. On l'obtient généralement à partir de son oxyde et sa taille s'effectue au moyen d'une soie à diamants. Il y a intérêt à appliquer à la plaque, le champ magnétique maximum, par exemple de l'ordre de 8.000 gauss, en évitant toutefois de saturer un point quelque du circuit magnétique, ce qui ferait apparaître dans la fem transversale, l'harmonique 3, en général in- désirable. 



   Avant de poursuivre la description de l'appareil, il est utile de rappeler brièvement en quoi consiste l'effet Hall. Lorsqu'on fait passer un courant I lon- gitudinal dans une lame d'un corps conducteur ou semi-conducteur, telle que celle représentée en 14 (fig.l), suivant sa longueur,   c'est-à-dire   perpendiculairement au plan de la figure, et que l'on applique simultanément un champ magnétique H per- pendiculaire à l'épaisseur d , ,il apparaît entre les tranches 19 (sens de la hau- teur) une force électromotrice transversale E doit la valeur, en volts, est donnée par l'expression : 
 EMI3.1 
 F a K x 1(#"9 ( 1 ) d où K est le coefficient de Hall, H est le champ en gauss, I le courant en ampères, d l'épaisseur en centimètres. Le signe de la fem est fonction du sens du courant et de la direction du champ magnétique   H.   



   Lorsque le courant longitudinal est un courant continu et que le champ magnétique est alternatif, la fem transversale est alternative; sa phase tourne de 100 deg. lorsque l'on inverse le sens du courant continu longitudinal. Dans les limites normales de fonctionnement du convertisseur, la valeur de la fem transversale est une fonction linéaire de la valeur du courant longitudinal, pour un champ magnétique d'amplitude constante, 
La fem , entre les points 19, permet de faire circuler un courant alterna- tif dans le circuit d'utilisation constitué par le primaire du transformateur élé- vateur 21. 

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  La tension recueillie aux bornes du secondaire de ce transformateur, est débarrassée des composantes parasites et des harmoniques, en traversant le filtre 22, puis am- plifiée au moyen d'un amplificateur à tubes électroniques 23. La tension de sortie de celui-ci est appliquée aux grilles de commande des tubes de puissance 24, 25, à atmosphère ionisable. Les circuits anodiques de ces tubes sont alimentés par les deux moitiés du secondaire d'un transformateur 26, par l'intermédiaire des enroule- ments inverseurs de marche d'un moteur à courant alternatif 29. 



   Les cathodes des tubes 24   &   25 sont reliées au point milieu du secondaire du transformateur 26. Le montage des tubes 24   &   25 permet de régler l'amplitude du courant dans les enroulements 27 et 28, en fonction de la différence de phase exis- tant entre les tensions anodiques et les tensions appliquées aux grilles de   commanda,   différence de phase que règle le convertisseur 14. Le moteur 29 du type à phase auxiliaire comporte un enroulement 30 alimenté en permanence à travers un condensa- teur par la même source 18 que celle qui alimente l'enroulement 17 du convertisseur et le transformateur 26. 



   Lorsque la fem du thermocouple 1 ne fait pas équilibre à celle issue du potentiomètre 10, un courant continu longitudinal passe dans l'élément de Hall 14; la polarité de ce courant dépend du sens du déséquilibre entre les deux fem Une fem alternative apparait entre les tranches 19, sa phase est déterminée par le sens du courant continu longitudinal. Le transformateur 21 élève l'amplitude de la fem transversale qui est, d'autre part, filtrée en 22 et amplifiée en 23, pour être enfin appliquée aux grilles de commande des tubes 24 et 25. Si, dans ces con- ditions, l'anode de l'un des tubes, 24 par exemple, est positive en même temps que la grille de commande, il passe des demi-alternances de courant dans l'enroulement 27 du moteur.

   Le tube 25 ne laisse alors passer aucun courant, car les tensions d'anodes et de grilles sont en opposition de phase, Les enroulements 27   &   30 du moteur sont, dans ce cas, alimentés par des courants alternatifsdéphasés approxi- mativement de 90 deg.; le moteur tourne dans un sens tel que le curseur 11 se dé- place vers la droite et cela jusqu'à ce que soit rétabli l'équilibre entre la fem du couple et celle qui lui est opposée par le potentiomètre. Le courant continu longitudinal dans la plaque 14 et la tension alternative transversale s'annulent alors; et le tube 24,ne laissant plus passer d'impulsions, le moteur 29   s'arrête.   



   Le curseur 11 est solidaire d'un style enregistreur qui trace sur une feuille de papier 2, le diagramme de la température mesurée par le   thermocouple,   Le moteur 29 entraîne également un index 4 dont le déplacement, devant l'échelle 3, donne 

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 une lecture directe et instantanée de la température, 
A une augmentation de température correspond, conne on l'a supposé ci-dessus un déplacement du curseur 11 et de l'index 4 vers la droite. Si, au contraire, la température mesurée par le thermocouple diminue, la polarité du courant continu longitudinal dans l'élément de Hall 14 est inverse de celle qui a été considérée ci-dessus.

   La phase de la tension alternative transversale ayant tourné de 180 deg par rapport à ce qu'elle était dans le cas précédent,   c'est   alors le tube 25 qui est conducteur, puisque les tensions d'anode et de grille sont en phase. Le tube 24 est alors bloque, ses tensions d'anode et de grille étant en opposition. Les enroulements 28 & 30 du moteur 29 sont maintenant alimentés et celui-ci tourne en sens inverse, provoquant le déplacement du curseur 11 et de l'index 4 vers la gau- che,   jusqu'à   ce que la tension appliquée au circuit d'entrée du convertisseur, s'étant à nouveau annulé, le moteur 29 s'arrête.

   Lorsque l'on atteint une limite prédéterminée, haute ou basse, de la température, le curseur vient fermer l'un des contacts 5 ou 6, ce qui provoque le fonctionnement des relais 7 ou 8, agissant sur le régulateur qui commande la température du milieu où se trouve le thermocouple 1. 



   Dans le montage qui vient d'être décrit, les éléments autres que ceux du convertisseur sont connus et peuvent être remplacés par des organes équivalents, remplissant les mêmes fonctions, sans changer en quoi que ce soit l'esprit de l'invention, Elle est essentiellement caractérisée par le nouveau convertisseur, son mode d'utilisation, pour engendrer une fem alternative à partir d'une diffé- rence de potentiel continue, et commander , à partir de la fem alternative, tous appareils de mesure et d'asservissement désirés. 



   La fem transversale de l'élément de Hall est proportionnelle au courant longitudinal issu du potentiomètre; l'amplitude des impulsions de courant produites par les tubes 24 & 25 et, par conséquent, la vitesse de rotation du moteur 29 sont également proportionnelles à ce courant et, donc, au déséquilibre du potentiomètre. 



   Pour donner une idée de la sensibilité remarquable que permet d'atteindre le nouveau procédé, objet de l'invention, on signale que l'on a pu faire fonction- ner un enregistreur avec une différence de potentiel continue, de l'ordre de quel- ques centièmes de microvolts. En fait, la limite inférieure de la fem transver- sale utilisable correspond à la tension de fluctuation, dite de bruit de fond, des tubes utilisés dans l'amplificateur 23. La limite supérieure du courant longitu- dinal est fixée par l'échauffement de l'élément de Hall; pour des plaques de germa- nium ayant les dimensions indiquées ci-dessus, la différence de potentiel   longitu-   

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 -dinale maximum est de l'ordre de 3,2 volts.

   Le rapport entre les amplitudes des tensions longitudinale et transversale est de l'ordre de 29/1; ce rapport, qui peut paraître, à première vue, défavorable, ne l'est cependant pas si l'on consi- dère que la résistance caractéristique interne de l'élément de Hall, vu des points 19, est très faible et qu'il est possible d'utiliser un transformateur ayant un rapport élévateur élevé, sans que l'impédance atteigne une valeur telle que les champs parasites puissent exercer une action   gênante.   Toutefois, le transformateur élévateur et le filtre doivent est construits avec soin.   On   a trouvé avantageux d'utiliser un transformateur à circuit magnétique toroidal, arec enroulements uni- formément répartis. 



   La fem à amplifier a été représentée comme issue de la comparaison de fem d'un thermocouple et d'une pile étalon. Il est bien évident que le procédé, objet de l'invention, pourrait être utilisé à l'amplification de très petites ten- sions, ou courants, engendrés par d'autres phénomènes physiques ou chimiques. 



   On va maintenant expliquer la raison d'être des contacts mobiles 15 & 20 insérés dans les circuits primaire et secondaire de l'organe convertisseur.   On   remarquera que le conducteur 15 peut pivoter autour d'un axe 31 et que, tel qu'il est représenté, il se trouve au milieu du flux magnétique issu de la face polaire gauche de l'entrefer du circuit magnétique 16. Le circuit primaire coupe dont le flux dans un certain sens, dans le conducteur 15 et, dans le sens opposé, dans la plaque de Hall. Il s'ensuit que, tel qu'est représenté le conducteur 15, aucune fem n'est induite dans le circuit primaire par le champ magnétique alternatif.

   Si par contre, on fait tourner le conducteur 15 autour de l'axe 31, de façon à l'ame- ner dans une position perpendiculaire à celle dans laquelle il est représenté sur la figure, et tel que son extrémité libre soit dirigée vers le haut, le circuit primaire embrasse la moitié du flux magnétique. Inversement, si l'on fait tourner de 180   deg.   ce conducteur 15, on inverse le flux coupé. On dispose donc ainsi d'un moyen de régler, en phase et amplitude, la fem alternative induite dans le circuit primaire, ce qui permet d'annuler les fem parasites qui pourraient être induites dans ledit circuit, par induction du circuit à courant alternatif.

   Dans le cas où le couplage serait insuffisant avec le conducteur perpendiculaire à la position dans laquelle il est représenté, on pourrait toujours ajouter en série dans l'un des conducteurs 13, une boucle d'un ou plusieurs tours convenablement couplés au circuit magnétique. Il est très important d'annuler les fem parasi- tes induites, parce que le courant alternatif longitudinal qu'elles font naître 

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 se trouve modulé, par effet Hall, par un champ magnétique de même fréquence! il ap- parait,   marne   en l'absence de tension continue longitudinale, une fem transversal* ondulée à fréquence double. Ceci se voit Immédiatement à l'examen de la figure 1, quand on écrit que 1 - f(H).

   En général, il n'est pas nécessaire de faire tourner complètement le conducteur 16 pour compenser les tensions parasites induites. 



   Le conducteur 20, pivotable autour de l'axe 32, est destiné à jouer le   marne   rôle vis-à-vis des circuits secondaires que le conducteur 15 pour le circuit primai- re; mais il s'agit alors de compenser des tensions parasites Induites dans les cir- cuits secondaires ayant la fréquence tondamentale. Le réglage de ces organes de compensation 15, 20 est facile à faire en   vérifiant   ,au moyen d'un oscilloscope, qu'il n'y a paa de tension à fréquence fondamentale, ou double, dans le circuit se- condaire, en l'absence de tension longitudinale continue appliquée   à     l'élément   de Hall.

   La relation entre les différente paramètres d'un élément de   iiell   donné plus haut, permet   d'écrire   le coefficient qui   caractérise   la sensibilité d'un corps. 
 EMI7.1 
 



  E d K-##### 10" (2) 1 z 
On a trouvé que, pour des plaques de germanium, ce   coefficient   est   comprit   entre   100.000   et   300.000,   dépendant dans une large mesure,d'un échantillon à l'autre, de la façon dont il est prépare. Dans l'exemple   considère   au sujet de la figure 1 ce coefficient état 156.000. 



   Il est évident que le courant transversal est fonction de l'impédance du circuit eur lequette débite l'élément de Hall, Pour faciliter l'exposé des conditions auxquelles doit répondre un tel élément, on en a représenta, par la figure S, le schéma équivalent, R1 est la résistance qui s'oppose au passage du courant   longitu-   dinal et que l'on appellera résistance primaire de l'élément. Le courant Il longi- tudinal est suppose fourni par un générateur de fem U1 et de résistance interne Ro. 



  On peut considérer la fem transversale E comme produite par un générateur de ré- sistance interne R2 débitant un courant I2 sur une impédance de charge Z2 dont la différence de potentiel aux bornes est U2. 



   Dans le cas   idéal,   les points milieux des résistances R1 et R2 coïnci- dent, mais, en pratique, il existe toujours un petit   couplage   que   l'on   a représente ici en affectant une partie commune de la résistance R1 au circuit primaire et se- condaire. L'expression du courant I2 est donnée par 
 EMI7.2 
 lai KBU1' x 1(r (3) 4 (Ro+Iq ) (ZZ+RZ) (zz+Rg> 10" 

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 cf.   Lorentz   (Verse.Kon.Aked.Amst. (2) 19, P. 217   1884).   



   En pratique, la résistance R0 est négligeable devant R1, si bien que l'expression (2) se simplifie et devient : 
 EMI8.1 
 g H I1R2 I . K H Il%2 xl0 -9 (4) 2 d(Za+Ba) 
La sensibilité d'un élément de Hall, exprimée par le rapport entre la fem transversale E et la tension longitudinale U1 est facile à calculer; on a t 
 EMI8.2 
 $ $ =1 id-9 3 - - x 10-9 (5) d Ui-Ri-#li (6) où   L   est la longueur et 1 la largeur. 
 EMI8.3 
 



  19 - KHIi a, .,-9 ###- ####1 x 10- - ##.-JL .10 (7) t1 fi di 1-M p 1 Si c'est la puissance secondaire maxima Pa que l'on recherche : 
 EMI8.4 
 Ltz NIlS 10.18 ####- ####### .10-18 P . - 42(Ba+) Plu+% dS(%) Pl - R1Il 2 . i p , 0 - ne 10-18 Pl 41 (l\t+Z2) maie mais r1L à d'Où! Pa m Ra Ra 6 iur 18 (10j Pl f L Il (Râ*%) 
On voit donc que, si l'on considère la sensibilité exprimée par le rapport E/U1, c'est le   facteur K/#   de la matière dont est constitué   l'élément   de Hall qui en définit la sensibilité. 



   Par contre,   si   l'on considère le rapport P1/P2,c'est le rapport   K2/#   qui   intervient.   



    Les vapeurs K, et K/# ont été consignées dans le tableau ci-dessous pour différents éléments :   

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 EMI9.1 
 
<tb> Elément <SEP> K <SEP> 1
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> Germanium <SEP> + <SEP> 100.000 <SEP> 10 <SEP> 0.1
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> Bismuth <SEP> + <SEP> 10 <SEP> .0001 <SEP> 1.0
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> tellure <SEP> + <SEP> 700 <SEP> .2 <SEP> .035
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> Argent <SEP> - <SEP> 8.3 <SEP> x <SEP> 10-4 <SEP> 1.63x10-6 <SEP> .05
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> Or <SEP> - <SEP> 7.

   <SEP> x <SEP> 10-4 <SEP> 2.44x10-6 <SEP> .03
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> cuivre <SEP> - <SEP> 5.47x <SEP> 10-4 <SEP> 1.7 <SEP> x10-6 <SEP> 0.35
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> Etain <SEP> - <SEP> 0.2 <SEP> 41x10-6 <SEP> .05
<tb> 
 
On voit que la valeur du rapport est plus élevée d'une puissance de 10, pour le bismuth que pour le germanium* Donc, si le circuit secondaire n'impose aucune charge à   l'élément   de Hall (potentiomètre, tubes à   vide..)   l'élément au bis- muth est préférable, sous réserve de sa fragilité dans les conditions où l'on sait le fabriquer actuellement;

    'est pourquoi. l'on préfère souvent, même dans ce   eau,   le germanium d'une manipulation plus facile, à cause de sa plus grande dureté, Les expériences faites ont vérifié que la fem de Hall est bien proportionnelle à l'Intensité du champ magnétique et que le maximum de puissance débité dans le air- cuit secondaire cet obtenu pour l'adaptation de la résistance Interne de l'élément de Hall à l'impédance dudit circuit, tel qu'on peut en calculer la valeur. Four le germanium, la résistance tend à croître avec l'intensité du champ magnétique et à décroître avec la température. Le coefficient de Hall décroît aussi légèrement avec la température, ces variations ne sont toutefois pas suffisantes pour affecter le fonctionnement du convertisseur, objet de l'invention.

   La figure 3 représente deux caractéristiques typiques d'un convertisseur au germanium dans lequel il est tait application des moyens de   l'invention.   



   Le flux magnétique de modulation était de 8.000 gauss et la fréquenc   60   Hz. 



  La résistance R1 était de 80 ohms et la résistance secondaire R2 60 ohms. L'élé- ment débitait sur un circuit d'utilisation dont l'impédance, vue des bornes secon- daires du transformateur élévateur 21   (fig.2)   était de 5.000 ohms. La tension pri- -maire U1 est portée en ordonnées et la tension aux bornes du secondaire U2 du transformateur est portée en abscisses; U'2 est la tension aux bornes secondaires du transformateur élévateur de rapport 10. Ces caractéristiques sont relatives à une plaque de germanium de 14,2 millimètres de longueur, 6,4 mm. de largeur et 2,8 mm. d'épaisseur, ayant un coefficient de Hall égal à 156.000 et une résistivité de 11   #/cm.   La relation entre les tensions longitudinale et transversale est, 

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Claims

dans le cas considéré, linéaire, mais cette loi n'est pas essentielle pour un convertisseur utilisa dans une méthode de zéro. On notera que la phase de fem transversale est fonction de la polarité de la tension longitudinale et de la phase du champ alternatif, un renversement de celle-lA introduit une rotation de phase de 180 doge - RESUME - REVENDICATIONS - ----------------------- 1 - Procédé de conversion d'une différence de potentiel continue en une force-électro-motrice alternative, utilisant un modulateur à effet Hall constitué par une plaque en un matériau à effet Bail élevé, placée dans un champ magnétique constant, perpendiculaire à la plaque,

le courant continu primaire alimentant la plaque suivant l'un de ses axes et le courant alternatif secondaire étant débita suivant un axe perpendiculaire au premier, des moyens étant éventuellement employés pour annuler les fem parasites induites dans les circuits primaire et secondaires II - Utilisation du procède revendiqué sous I-, de conversion d'une diffé- rence de potentiel continue en une fem alternative, pour faire fonctionner à partir de tensions continues extrêmement petites, tous appareils de mesure et d'asservissement désirés, ces tensions continues étant converties par le modula- teur à effet Hall, puis amplifiées avant d'être appliquées aux dits appareils III - Utilisation du procédé revendiqué sous 1-,

de conversion d'une diftê- rence de potentiel continue en une fem alternative, dans un appareil indicateur et enregistreur de température, dans lequel la fem produite par un thermocouple est comparée par une méthode d'opposition, à une fem appliquée par l'intermédaire d'un potentiomètre, la résultante de ces deux fem étant appliquée à un convertis- seur à effet Hall, débitant une fem alternative qui est filtrée, amplifiée et appliquée aux grilles de tubes à milieu ionizable dont le circuit anadéque comporte les enroulements d'excitation d'un moteur qui entraîne un index d'Indication de la température et un curseur d'enregistrement du diagramme des températures, se dé- laqant le long du potentiomètre jusqu'à rétablissement de l'équilibre entre les deux fem comparées.