Digitale und analoge Schalttafel-Amperemeter für die industrielle Automatisierung

In Schaltschränken ist die Stromstärke die Größe, die am meisten über den Zustand einer Anlage aussagt: Ein Motor, der mehr als nötig aufnimmt, eine Leitung, die sich unnormal belastet, ein Heizelement, das sich zersetzt. Das Einbauamperemeter ist das Instrument, das diese Information auf einen Blick direkt an der Schaltschrankfront ablesbar macht. In diesem Leitfaden sehen wir uns an, wie es funktioniert, welche Arten es gibt (analog und digital, mit den jeweiligen Funktionsprinzipien), wie man es auswählt, anschließt und in einen Kontext von Industrie 4.0 einfügt.

Was ist ein Amperemeter und was misst es

Das Amperemeter ist das Instrument, das die Stärke des elektrischen Stroms misst, der durch einen Stromkreis fließt. Deshalb wird es in Reihe zum Verbraucher geschaltet, im Gegensatz zum Voltmeter, das parallel angeschlossen wird.

Die gemessene Größe ist das Ampere (A), mit seinen Untereinheiten: das Milliampere (mA, ein Tausendstel Ampere) und das Mikroampere (µA, ein Millionstel). In Leistungsschaltanlagen arbeitet man normalerweise in Ampere, während Skalen in mA und µA typisch für Signalkreise, Instrumentierung und Messungen sehr kleiner Ströme sind.

Innenwiderstand und Einfügefehler

Ein ideales Amperemeter hätte einen Innenwiderstand von Null. In Wirklichkeit hat jedes Instrument einen eigenen Widerstand, und das Einfügen in Reihe verändert den Stromkreis leicht: Der gemessene Strom ist etwas geringer als der, der vor dem Einfügen floss. Dies ist der sogenannte Einfügefehler, der umso kleiner ist, je niedriger der Widerstand des Instruments im Vergleich zum Widerstand des Stromkreises ist. In Leistungskreisen ist der Effekt vernachlässigbar; er wird bei Messungen kleiner Ströme in hochohmigen Stromkreisen relevant, wo es ratsam ist, Instrumente mit geringem Spannungsabfall zu wählen.

Amperemeter, Stromzange und Rogowski-Spule

• Einbauamperemeter: Permanent im Schaltschrank installiert, in Reihe zum Stromkreis (direkt oder über einen Stromwandler oder Shunt). Dient der kontinuierlichen Überwachung.
• Stromzange: Tragbares Instrument, das sich um den Leiter schließt, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Sie ist für punktuelle Diagnose- und Prüfmessungen gedacht, nicht für die stationäre Überwachung.
• Rogowski-Spule: Flexibler Ringsensor ohne Eisenkern, nützlich für Leiter mit großem Querschnitt oder schwer zugängliche Stellen. Das von ihr gelieferte Signal ist proportional zur Änderung des Stroms, erfordert daher einen elektronischen Integrator und wird für Wechselströme verwendet.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Einbauinstrumente, die man täglich an der Front eines industriellen Schaltschranks findet.

Arten von Amperemetern

Analoge Amperemeter

Das analoge Amperemeter zeigt den Strom mit einem Zeiger an, der sich über einer geeichten Skala bewegt. Die Bewegung ist mechanisch und wird durch die magnetische Kraft erzeugt, die vom Strom selbst produziert wird. Es erfordert keine Hilfsenergie und ist deshalb in Schaltschränken sehr geschätzt, in denen ein einfaches und robustes Instrument benötigt wird.

• Vorteile: Sofortiges Ablesen von Trends (ein Motoranlauf, eine Lastspitze sind an der Bewegung des Zeigers zu sehen), keine Hilfsenergie, robuste Konstruktion.
• Nachteile: Begrenzte Empfindlichkeit bei der Sichtablesung und mögliche Parallaxenfehler, Genauigkeit normalerweise geringer als bei einem digitalen Instrument, kein Alarmausgang oder Kommunikation.

Als Katalogbeispiel ist das analoge Amperemeter Schneider Electric 16029 für Wechselstrom bis 30 A geeignet, mit Genauigkeitsklasse 1,5 und einer Einbautiefe von 66 mm.

Digitale Amperemeter

Das digitale Amperemeter wandelt den Strom in ein elektrisches Signal um, das abgetastet und auf einer numerischen Anzeige dargestellt wird. Der Wert wird direkt abgelesen, ohne eine Skala interpretieren zu müssen, und ist daher präziser und weniger anfällig für Ablesefehler.

• Erweiterte Funktionen: Viele Modelle bieten programmierbare Skalen (zum Einstellen des Stromwandlerverhältnisses), Alarmschwellen mit Relaisausgang, Analogausgang (zum Beispiel 4-20 mA) und serielle Kommunikation, oft Modbus, sowie Konfigurationssoftware.
• True RMS: In Stromkreisen mit Frequenzumrichtern, Gleichrichtern und nichtlinearen Lasten ist der Strom nicht sinusförmig. Ein Instrument, das den Mittelwert misst, kann falsche Messwerte liefern, während ein True-RMS-Modell den echten Effektivwert misst. Dies ist ein Wert, der immer im Datenblatt überprüft werden sollte.
• Hilfsenergie: Im Gegensatz zu analogen Modellen benötigen digitale in der Regel eine dedizierte Versorgungsspannung, die im Schaltschrank vorgesehen werden muss.

Im Katalog finden Sie zum Beispiel das modulare digitale Amperemeter Schneider Electric 15209 für DIN-Schiene, mit einer angegebenen Genauigkeit von 0,5 % und Abmessungen von 36 x 87 mm.

Drehspulamperemeter

Eine leichte Spule, durch die der zu messende Strom fließt, ist zwischen den Polen eines Permanentmagneten montiert. Die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und Strom erzeugt ein Drehmoment, das die Spule und damit den Zeiger dreht; eine Rückstellfeder bringt das System wieder auf Null. Die Skala ist linear.

Es ist ein für Gleichströme geeignetes Instrument und normalerweise sehr präzise und empfindlich. Es kann auch mit Wechselströmen verwendet werden, wenn es mit einem internen Gleichrichter kombiniert wird: In diesem Fall ist die Skala für sinusförmige Signale kalibriert und das Instrument verliert bei verzerrten Wellenformen an Genauigkeit.

Dreheisenamperemeter

Beim Dreheisen durchfließt der Strom eine feste Spule und magnetisiert zwei Eisenbleche, ein festes und ein bewegliches; die beiden Bleche stoßen sich ab und das bewegliche Blech bewegt den Zeiger. Da die Kraft nicht von der Richtung des Stroms abhängt, funktioniert das Instrument sowohl bei Gleich- als auch bei Wechselstrom und zeigt den Effektivwert an.

Es ist eine kostengünstige und robuste Lösung, die in industriellen Verteilungsschaltschränken verbreitet ist. Der Kompromiss ist eine geringere Genauigkeit (Klasse 1,5 ist typisch) und eine nicht perfekt lineare Skala, bei der der Anfangsbereich komprimierter ist.

Hitzdrahtamperemeter

In diesen Instrumenten erhitzt der Strom einen dünnen Draht; der Draht dehnt sich aus und seine Verlängerung wird in eine Drehung des Zeigers umgewandelt. Das Prinzip ist unabhängig von der Wellenform und Frequenz, weshalb das Instrument mit Gleich- und Wechselstrom funktioniert.

Der Nachteil ist eine geringere Genauigkeit, eine langsame Reaktion und eine Empfindlichkeit gegenüber Umgebungstemperatur und Überlastungen. Heute ist dies ein kaum noch verbreitetes Prinzip, das von elektronischen Lösungen überholt wurde und vor allem in älteren Anlagen anzutreffen ist.

Thermo-Amperemeter

Ein kleines Heizelement wird vom zu messenden Strom durchflossen und erwärmt die Verbindungsstelle eines Thermoelements; die erzeugte Spannung, die proportional zur produzierten Wärme ist, wird von einem Drehspul-Milliamperemeter abgelesen. Auch hier hängt die Messung vom thermischen Effekt und nicht von der Wellenform ab.

Sie sind die historische Wahl für Gleich- und Wechselströme hoher Frequenz, bei denen die anderen Prinzipien nicht anwendbar sind. Wie beim Hitzdraht ist die geringe Toleranz gegenüber Überlastungen die Haupteinschränkung.

So wählen Sie ein Amperemeter aus

Für einen B2B-Käufer reduziert sich die Auswahl auf wenige Fragen: Welchen Strom muss ich messen, wie präzise muss die Ablesung sein, welche Funktionen benötige ich. Die Tabelle fasst die Hauptunterschiede zwischen den beiden Familien zusammen.

Kriterium	Analog	Digital
Ablesung	Zeiger auf Skala, optimal für Trends	Präziser Zahlenwert
Genauigkeit	Klasse 1,5 typisch; niedriger bei günstigen Modellen	Generell höher (im Datenblatt zu prüfen)
Stromart	Abhängig vom Prinzip (Dreheisen AC/DC, Drehspule DC)	AC oder DC je nach Modell; True RMS für nichtlineare Lasten
Funktionen	Nur Anzeige	Alarme, Analogausgänge, Kommunikation, Programmierung
Hilfsenergie	Nicht erforderlich	Fast immer erforderlich
Kosten	Gering	Höher, aber mit mehr Funktionen

Auswahlkriterien für die industrielle Automatisierung

• Stromart (AC/DC): Ein Instrument für Wechselstrom ist nicht für Gleichstromkreise geeignet und umgekehrt.
• Wellenform: Bei Frequenzumrichtern und nichtlinearen Lasten wählen Sie ein True-RMS-Modell.
• Skalenendwert: Muss den maximal zu erwartenden Strom übersteigen, unter Berücksichtigung von Anlaufströmen (z. B. beim Starten eines Motors).
• Stromwandler oder Shunt: Über dem direkten Messbereich des Instruments ist ein Stromwandler für Wechselstrom oder ein Shunt für Gleichstrom erforderlich. Die Sekundärseite des Wandlers und der Eingang des Instruments müssen übereinstimmen.
• Format und Tiefe: Überprüfen Sie den Ausschnitt der Schalttafel und den im Schaltschrank verfügbaren Platz, besonders bei einem Austausch.
• Funktionalität und Budget: Alarme, Kommunikation und Ausgänge sind nur sinnvoll, wenn sie auch wirklich genutzt werden.

Wenn Sie mehrere Messgrößen zusammen benötigen (Strom, Spannung, Leistung, Frequenz), ziehen Sie multifunktionale Einbaumessgeräte als Alternative zu mehreren separaten Instrumenten in Betracht; für reine Spannung gibt es die Kategorie der Voltmeter.

So schließen Sie ein Amperemeter an

Die folgenden Anweisungen beschreiben die allgemeine Logik. Für die Klemmenbelegung und jedes Detail ist immer das Handbuch des Herstellers maßgebend, und der Eingriff muss von qualifiziertem Personal durchgeführt werden.

Anschluss eines analogen Amperemeters

1. Schalten Sie die Spannung des Stromkreises ab und überprüfen Sie die Spannungsfreiheit gemäß den Sicherheitsverfahren der Anlage.
2. Montieren Sie das Instrument in der Öffnung der Schalttafel und befestigen Sie es mit seinem Befestigungssystem.
3. Schließen Sie das Instrument in Reihe zu einer Phase des Verbrauchers an. Wenn der Strom den direkten Messbereich übersteigt, schließen Sie das Instrument an die Sekundärseite des Stromwandlers (z. B. 5 A) an und verwenden Sie eine für das Wandlerverhältnis geeichte Skala.
4. Bei einer Gleichstrommessung ist die Polarität zu beachten; bei Verwendung eines Shunts schließen Sie das Instrument an die Messklemmen des Shunts an, unter Einhaltung des angegebenen Messbereichs.
5. Schalten Sie die Spannung wieder ein und überprüfen Sie, ob der Zeiger einen Wert anzeigt, der mit dem Typenschild des Verbrauchers übereinstimmt.
6. Vorsichtsmaßnahmen: Schließen Sie niemals ein Amperemeter parallel zu einem Verbraucher an, da sein niedriger Widerstand einen Kurzschluss verursachen würde. Die Sekundärseite eines Stromwandlers darf bei unter Spannung stehender Primärseite niemals offen gelassen werden: Dies kann gefährliche Spannungen erzeugen. Bevor Sie das Instrument abklemmen, schließen Sie die Sekundärseite des Wandlers mit der entsprechenden Klemme kurz.

Anschluss eines digitalen Amperemeters

1. Schalten Sie die Spannung ab und überprüfen Sie die Spannungsfreiheit.
2. Befestigen Sie das Instrument im Panel oder auf der DIN-Schiene, je nach Format.
3. Schließen Sie die Hilfsenergie an die dafür vorgesehenen Klemmen an und beachten Sie den auf dem Etikett angegebenen Spannungswert.
4. Schließen Sie den Messeingang an: direkt in Reihe zum Stromkreis oder an die Sekundärseite des Wandlers oder an die Klemmen des Shunts.
5. Schließen Sie eventuelle Alarmausgänge, Analogausgänge oder die Kommunikationsleitung an.
6. Schalten Sie die Spannung wieder ein und konfigurieren Sie das Instrument: Wandlerverhältnis (Primär/Sekundär), Skalenendwert, eventuelle Alarmschwellen und Kommunikationsparameter. Eine falsche Konfiguration des Wandlerverhältnisses ist die häufigste Ursache für falsche Messwerte.

Die modernsten Instrumente können auch über eine dedizierte Software oder das Kommunikationsnetz konfiguriert werden.

Wartung und Kalibrierung

Amperemeter erfordern wenig Wartung, aber nicht gar keine. Einige bewährte Verfahren:

• Überprüfen Sie regelmäßig die Anzeige des Instruments durch Vergleich mit einem Referenzinstrument oder mit dem Nennstrom des Verbrauchers;
• bei analogen Modellen: Überprüfen Sie den mechanischen Nullpunkt des Zeigers und das Fehlen von Stößen oder anormale Vibrationen;
• überprüfen Sie den festen Sitz der Klemmen und Anzeichen von Überhitzung an den Anschlüssen;
• halten Sie die Front sauber und kontrollieren Sie, ob Display und Beleuchtung der digitalen Modelle einwandfrei funktionieren;
• überprüfen Sie regelmäßig die Wandlerverhältnisse und die Konfiguration digitaler Instrumente.

Die eigentliche Kalibrierung, d. h. der Vergleich mit Referenznormalen und die Ausstellung eines Zertifikats, ist eine Tätigkeit, die einem akkreditierten Labor anzuvertrauen ist (in Italien akkreditiert durch ACCREDIA gemäß ISO/IEC 17025). Sie sollte geplant werden, wenn die Messung eine vertragliche, Qualitäts- oder Sicherheitsrelevanz hat. Wenn ein Einbauinstrument ausfällt und der Maschinenstillstand keine langen Wartezeiten erlaubt, bietet ELEXONIK auch einen Service für Reparaturen und technischen Support an zahlreichen Industriekomponenten.

Anwendungen von Amperemetern in der industriellen Automatisierung

• Motoren und Drehstromverbraucher: Die Stromablesung an jeder Phase, verglichen mit dem Motortypenschild, ermöglicht das Erkennen von Überlastungen und Unsymmetrien zwischen den Phasen, oft ein frühes Anzeichen für mechanische Probleme oder eine Verschlechterung der Wicklungen.
• Generatoren und unterbrechungsfreie Stromversorgungen: Die lokale Messung des abgegebenen Stroms hilft bei der Kontrolle der Last im Vergleich zur verfügbaren Leistung.
• Stromversorgungssysteme: Ein Gleichstrom-Amperemeter am Ausgang eines Netzteils, das SPS und Sensoren versorgt, offenbart fortschreitende Anstiege der Aufnahme, zum Beispiel durch einen defekten Ausgang.
• Widerstandsheizung: In Öfen, Pressen und Trocknern ist der vom Heizelement aufgenommene Strom ein direkter Indikator für dessen Zustand.
• Verteilerschränke: Die lokale Überwachung der Abgangsleitungen hilft dem Wartungspersonal bei der schnellen Diagnose einer Überlastung.

In vielen dieser Anwendungen wird die Strommessung mit anderen Schutz- und Steuerungskomponenten kombiniert: zum Beispiel Motorschutzgeräten.

Amperemeter und Industrie 4.0

Mit Industrie 4.0 dient die Strommessung nicht mehr nur dem Bediener vor dem Schaltschrank. Ein digitales Amperemeter, das mit Kommunikation oder Analogausgang ausgestattet ist, leitet die Daten an Steuerungs- und Überwachungssysteme weiter.

• Konnektivität: 4-20 mA Ausgänge und serielle Leitungen (wie Modbus) ermöglichen die Übertragung des Werts an eine SPS, ein SCADA-System oder ein IoT-Gateway.
• Datenerfassung: Die Aufzeichnung des Stromverlaufs über die Zeit ermöglicht die Erstellung von Aufnahmeprofilen pro Maschine und pro Zyklus.
• Prädiktive Analyse: Eine schleichende Drift der Aufnahme eines Motors oder eines Widerstands kann einen Defekt ankündigen und ermöglicht es, den Eingriff vor dem Stillstand zu planen. Um die Überwachung des Maschinenzustands zu vertiefen, siehe die Kategorie Zustandsüberwachung.

Wenn auch die Energiebilanzierung erforderlich ist, vervollständigen Stromverbrauchsmessgeräte die Messkette.

Wo man Amperemeter und Zubehör findet

Im ELEXONIK-Katalog finden Sie die Kategorie Amperemeter zusammen mit dem Zubehör für Einbaumessgeräte, nützlich für Wartung und Ersatzteile. Wenn Sie ein nicht mehr produziertes Instrument ersetzen müssen, nennen Sie uns Marke, Modellbezeichnung und Schaltschrankdaten: Wir können Format, Skalenendwert und Kompatibilität mit der bestehenden Instrumentierung überprüfen. Sie können auch die Seite über Industrie-Ersatzteile und Komponenten besuchen oder ELEXONIK kontaktieren.