Causes et réduction de la dérive de long terme des capteurs de courant

La dérive à long terme des capteurs de courant fait référence à la variation progressive de leurs caractéristiques de mesure au fil du temps, même en l'absence de changements dans les conditions de fonctionnement. Ce phénomène est commun à tous les capteurs électroniques et peut affecter la précision des mesures dans les systèmes critiques.

Causes principales de la dérive à long terme

Vieillissement des composants :

Les matériaux et composants électroniques utilisés dans les capteurs (comme les résistances, les amplificateurs opérationnels ou les circuits magnétiques) se dégradent avec le temps, ce qui modifie leurs caractéristiques électriques.

Effets thermiques :

Les cycles thermiques (répétitions de chauffage et de refroidissement lors des variations de charge ou de l'environnement) provoquent :

- Une dilatation et une contraction des matériaux.

- Des changements dans les propriétés des noyaux magnétiques ou des shunts résistifs.

- Des altérations dans les connexions soudées (phénomène de fatigue thermique).

Effets magnétiques résiduels :

Pour les capteurs de courant basés sur des principes magnétiques

(comme les transformateurs de courant ou les capteurs à effet Hall),

une magnétisation résiduelle du noyau peut apparaître à cause de :

- De courants transitoires élevés (surtensions).

- Une exposition à des champs magnétiques externes forts.

- Une saturation prolongée du capteur (courant hors gamme)

Facteurs environnementaux :

- Humidité : Peut provoquer de la corrosion ou des fuites électriques dans les composants.

- Vibrations : Affectent les connexions physiques ou mécaniques.

- Pollution chimique : Peut dégrader les matériaux du capteur.

Manifestations de la dérive à long terme

Diminution de la précision :

Le capteur peut afficher des valeurs erronées ou décalées par rapport à la vraie valeur du courant.

Modification de la sensibilité :

La relation entre le signal de sortie et le courant d'entrée peut changer avec le temps.

Offset résiduel :

Un décalage dans la mesure est souvent observé, même lorsque le courant réel est nul.

Évolution de la linéarité :

Le capteur peut devenir non linéaire, entraînant des erreurs accrues à des niveaux de courant spécifiques.

Dérive à long terme selon le type de capteur de courant

• Capteurs à effet Hall :

  Les capteurs à effet Hall, qui mesurent le courant via un champ magnétique, peuvent présenter une dérive de leur sensibilité due à la magnétisation résiduelle du noyau ou à des variations dans l'électronique associée.

  
  

• Shunts résistifs :

  Les shunts résistifs, utilisés pour mesurer le courant via une chute de tension, peuvent voir leur résistance augmenter légèrement à cause de l'oxydation ou de la fatigue thermique.

  
  

• Transformateurs de courant (TC) :

  Les transformateurs de courant peuvent présenter une dérive de leur rapport de transformation due au vieillissement des bobinages ou à l'altération des propriétés magnétiques du noyau.

Quantification de la dérive

La dérive à long terme des capteurs de courant est un paramètre souvent mal interprété, voire trompeur. Bien qu’elle soit généralement indiquée comme une valeur typique dans les fiches techniques, elle peut conduire à des limitations significatives de la précision globale du système si elle n’est pas correctement comprise et prise en compte.

Contrairement à la précision initiale, qui peut être corrigée par un étalonnage unique permettant de compenser les erreurs statiques, la réduction des effets de la dérive à long terme nécessite des recalibrations périodiques du système. Ces opérations peuvent s’avérer à la fois coûteuses et contraignantes en termes de maintenance.

Il est donc essentiel de bien comprendre la signification réelle de la dérive à long terme. La majorité des fiches techniques l’expriment en ppm par 1 000 heures. À titre de rappel, 1 000 heures correspondent à environ 41,5 jours, et une année compte 8 766 heures. Une lecture naïve pourrait conduire à conclure qu’un capteur spécifié à 70 ppm / 1 000 heures dériverait de 613 ppm sur une année. Cette interprétation est incorrecte et constitue une erreur courante lorsque la notion de dérive à long terme est assimilée à un phénomène linéaire dans le temps.

Les courbes de dérive typiques d’un capteur de courant montrent en réalité un comportement non linéaire. Dans un environnement contrôlé à 50 °C, la tension de sortie mesurée toutes les heures sur une période de 1 000 heures met en évidence une variation importante durant les premières centaines d’heures, correspondant à une phase de stabilisation du capteur. Passée cette phase initiale, l’évolution du signal devient nettement plus faible sur les 800 heures suivantes.

Sur les 1 000 heures suivantes, la variation observée est généralement inférieure à un quart de celle mesurée durant les 1 000 premières heures. Cette tendance se poursuit au fil du temps, la dérive étant approximativement divisée par quatre à chaque période équivalente. En outre, les variations de la sortie suivent un comportement de type aléatoire et ne sont pas prévisibles : une dérive positive peut être observée sur une période donnée, puis évoluer négativement sur la période suivante.

À retenir :

• 70 ppm/1 000 heures ne signifie pas que le capteur changera de 613 ppm sur un an,

mais il changera plutôt dans une zone de 140 ppm/an.

• La dérive de long terme est un phénomène aléatoire, donc si le signal commence dans une direction, cela ne signifie pas qu'il continuera dans cette direction.

Comment réduire les effets de la dérive à long terme :

• Étalonner le système après 200 heures de fonctionnement, ce qui élimine les changements les plus importants.

• Faire un vieillissement accéléré durant 96 heures à température maximum,

pour éliminer les défauts de jeunesse et stabiliser le capteur.

l'ensemble des capteurs de courant à effet Hall Sensilec subissent cette phase de déverminage accélérée (Burn-in)

Gamme de capteurs de courant