In schakelkasten wordt de stroomsterkte als grootheid die het meest vertelt over de staat van een installatie: een motor die meer stroom opneemt dan nodig, een lijn die zich abnormaal oplaadt, een verwarmingselement dat aan het verslijten is. De paneelinstrument-ampèremeter is het instrument dat deze informatie in één oogopslag leesbaar maakt, direct op de voorzijde van de schakelkast. In deze gids zien we hoe het werkt, welke soorten er bestaan (analoog en digitaal, met de bijbehorende werkingsprincipes), hoe u deze kiest, aansluit en integreert in een Industrie 4.0-omgeving.
Wat is een ampèremeter en wat meet hij
De ampèremeter is het instrument dat de sterkte van de elektrische stroom meet die door een circuit vloeit. Daarom wordt hij in serie met de belasting geplaatst, in tegenstelling tot de voltmeter die parallel wordt aangesloten.
De gemeten grootheid is de ampère (A), met zijn ondervermenigvuldigen: de milliampère (mA, een duizendste van een ampère) en de microampère (µA, een miljoenste). Op vermogensschakelkasten wordt doorgaans in ampères gewerkt, terwijl schalen in mA en µA typisch zijn voor signaalcircuits, instrumentatie en metingen van zeer kleine stromen.
Interne weerstand en inzetfout
Een ideale ampèremeter zou een interne weerstand van nul hebben. In werkelijkheid heeft elk instrument een eigen weerstand, en door deze in serie te plaatsen, wordt het circuit licht veranderd: de gemeten stroom is iets lager dan de stroom die vóór de plaatsing door het circuit vloeide. Dit is de zogenaamde inzetfout, die hoe lager de weerstand van het instrument is ten opzichte van die van het circuit, des te kleiner is. In vermogenscircuits is het effect verwaarloosbaar; het wordt relevant bij metingen van kleine stromen in hoogohmige circuits, waar het raadzaam is instrumenten te kiezen met een lage spanningsval.
Ampèremeter, ampèreklem en Rogowski-spoel
- Paneelinstrument-ampèremeter: permanent gemonteerd in de schakelkast, in serie met het circuit (direct, of via een stroomtransformator of shunt). Wordt gebruikt voor continue bewaking.
- Ampèreklem: draagbaar instrument dat om de geleider wordt gesloten, zonder het circuit te onderbreken. Is bedoeld voor incidentele metingen voor diagnose en keuring, niet voor continue monitoring.
- Rogowski-spoel: flexibele ringvormige sensor zonder ijzeren kern, geschikt voor geleiders met een grote doorsnede of die moeilijk bereikbaar zijn. Het signaal dat deze levert is evenredig aan de variatie van de stroom, dus vereist een elektronische integrator en wordt gebruikt voor wisselstromen.
In dit artikel richten we ons op paneelinstrumenten, die u dagelijks op de voorzijde van een industriële schakelkast vindt.
Soorten ampèremeters
Analoge ampèremeters
De analoge ampèremeter geeft de stroom aan met een wijzer die over een genummerde schaal beweegt. De beweging is mechanisch en wordt veroorzaakt door de magnetische kracht die door de stroom zelf wordt geproduceerd. Hij heeft geen hulpstroom nodig en wordt daarom zeer gewaardeerd in schakelkasten waar een eenvoudig en robuust instrument nodig is.
- Voordelen: onmiddellijke aflezing van trends (een motorstart of een lastpiek is te zien aan de beweging van de wijzer), geen hulpstroom nodig, robuuste constructie.
- Nadelen: beperkte gevoeligheid voor visuele aflezing en mogelijke parallaxfouten, doorgaans lagere precisie dan die van een digitaal instrument, geen alarmuitgang of communicatie.
Als catalogusvoorbeeld is de analoge ampèremeter Schneider Electric 16029 geschikt voor wisselstroom tot 30 A, met precisieklasse 1,5 en een diepte van 66 mm.
Digitale ampèremeters
De digitale ampèremeter zet de stroom om in een elektrisch signaal dat wordt bemonsterd en op een numeriek display wordt getoond. De waarde wordt direct afgelezen, zonder een schaal te interpreteren, en is daarom nauwkeuriger en minder onderhevig aan afleesfouten.
- Geavanceerde functies: veel modellen bieden programmeerbare schalen (om de verhouding van de stroomtransformator in te stellen), alarmdrempels met relaisuitgang, analoge uitgang (bijvoorbeeld 4-20 mA) en seriële communicatie, vaak Modbus, naast configuratiesoftware.
- True RMS: in circuits met omvormers, gelijkrichters en niet-lineaire belastingen is de stroom niet sinusvormig. Een instrument dat de gemiddelde waarde meet, kan onjuiste metingen geven, terwijl een True RMS-model de werkelijke effectieve waarde meet. Dit is een gegeven dat u altijd op het technische gegevensblad moet controleren.
- Hulpstroom: in tegenstelling tot analoge modellen hebben digitale modellen doorgaans een speciale voedingsspanning nodig, die in de schakelkast moet worden voorzien.
In de catalogus vindt u bijvoorbeeld de modulaire digitale ampèremeter Schneider Electric 15209 voor DIN-rail, met een aangegeven precisie van 0,5% en een formaat van 36 x 87 mm.
Ampèremeters met beweegbare spoel
Een lichte spoel, door de te meten stroom, is gemonteerd tussen de polen van een permanente magneet. De interactie tussen het magnetisch veld en de stroom genereert een koppel dat de spoel en daarmee de wijzer laat draaien; een tegenwerkende veer brengt de wijzer terug naar nul. De schaal is lineair.
Dit is een instrument dat geschikt is voor gelijkstroom en doorgaans zeer precies en gevoelig is. Het kan ook met wisselstromen worden gebruikt als het wordt gecombineerd met een interne gelijkrichter: in dat geval is de schaal afgestemd op sinusvormige signalen en verliest het instrument nauwkeurigheid bij vervormde golfvormen.
Ampèremeters met beweegbaar ijzer
Bij beweegbaar ijzer loopt de stroom door een vaste spoel en magnetiseert deze twee ijzeren plaatjes, één vast en één beweegbaar; de twee plaatjes stoten elkaar af en het beweegbare plaatje verplaatst de wijzer. Omdat de kracht niet afhankelijk is van de richting van de stroom, werkt het instrument zowel op gelijkstroom als wisselstroom en geeft het de effectieve waarde aan.
Dit is een goedkope en robuuste oplossing, veel gebruikt in industriële verdeelschakelkasten. Het compromis is een lagere precisie (klasse 1,5 is typisch) en een niet-perfect lineaire schaal, met een meer samengeperkt beginsegment.
Ampèremeters met hete draad
In deze instrumenten verwarmt de stroom een dunne draad; de draad zet uit en zijn verlenging wordt omgezet in de rotatie van de wijzer. Het principe is onafhankelijk van de golfvorm en de frequentie, waardoor het instrument werkt op gelijkstroom en wisselstroom.
De keerzijde is een lagere precisie, een trage respons en gevoeligheid voor de omgevingstemperatuur en overbelasting. Tegenwoordig is dit principe nauwelijks meer in gebruik en is het ingehaald door elektronische oplossingen, die u vooral in verouderde installaties tegenkomt.
Ampèremeters met thermokoppel
Een klein verwarmingselement wordt door de te meten stroom gevoed en verwarmt het verbindingspunt van een thermokoppel; de gegenereerde spanning, evenredig aan de geproduceerde warmte, wordt afgelezen door een ampèremeter met beweegbare spoel. Ook hier hangt de meting af van het thermische effect en niet van de golfvorm.
Ze zijn de historische keuze voor gelijkstroom en hoogfrequente wisselstroom, waar andere principes niet bruikbaar zijn. Net als bij de hete draad is de belangrijkste beperking de lage tolerantie voor overbelasting.
Hoe kiest u een ampèremeter
Voor een B2B-koper beperkt de keuze zich tot enkele vragen: welke stroom moet ik meten, hoe nauwkeurig moet de meting zijn, welke functies heb ik nodig. De tabel vat de belangrijkste verschillen tussen de twee families samen.
| Criterium | Analoog | Digitaal |
|---|---|---|
| Aflezing | Wijzer op schaal, ideaal voor trends | Nauwkeurige numerieke waarde |
| Precisie | Typisch klasse 1,5; lager bij goedkope modellen | Doorgaans hoger (te controleren op het technische gegevensblad) |
| Type stroom | Afhankelijk van het principe (beweegbaar ijzer AC/DC, beweegbare spoel DC) | AC of DC afhankelijk van het model; True RMS voor niet-lineaire belastingen |
| Functies | Alleen indicatie | Alarmen, analoge uitgangen, communicatie, programmering |
| Hulpstroom | Niet vereist | Bijna altijd vereist |
| Kosten | Laag | Hoger, maar met meer functies |
Keuzecriteria voor industriële automatisering
- Type stroom (AC/DC): een instrument voor wisselstroom is niet geschikt voor gelijkstroomcircuits, en omgekeerd.
- Golfvorm: kies bij omvormers en niet-lineaire belastingen een True RMS-model.
- Hoogste meetbereik: moet hoger zijn dan de verwachte maximale stroom, rekening houdend met inschakelstromen (bijvoorbeeld bij het starten van een motor).
- Stroomtransformator of shunt: boven het directe meetbereik van het instrument is een stroomtransformator nodig voor wisselstroom, of een shunt voor gelijkstroom. De secundaire zijde van de stroomtransformator en de ingang van het instrument moeten overeenkomen.
- Formaat en diepte: controleer de paneeluitsparing en de beschikbare ruimte in de schakelkast, vooral bij vervanging.
- Functionaliteit en budget: alarmen, communicatie en uitgangen zijn alleen zinvol als ze daadwerkelijk worden gebruikt.
Als u meerdere grootheden tegelijk nodig hebt (stroom, spanning, vermogen, frequentie), overweeg dan multifunctionele paneelinstrumenten als alternatief voor meerdere losse instrumenten; voor alleen spanning zijn er voltmeters.
Hoe sluit u een ampèremeter aan
De volgende instructies beschrijven de algemene logica. Voor de nummering van de aansluitpunten en elk detail dient u altijd de handleiding van de fabrikant te raadplegen, en de werkzaamheden moeten worden uitgevoerd door gekwalificeerd personeel.
Aansluiting van een analoge ampèremeter
- Schakel de spanning op het circuit uit en controleer of er geen spanning aanwezig is, volgens de veiligheidsprocedures van de installatie.
- Plaats het instrument in de uitsparing van het paneel en bevestig het met het eigen bevestigingssysteem.
- Plaats het instrument in serie met een fase van de belasting. Als de stroom het directe meetbereik overschrijdt, sluit het instrument dan aan op de secundaire zijde van de stroomtransformator (bijvoorbeeld 5 A) en gebruik een schaal die is afgestemd op de verhouding van de stroomtransformator.
- Voor een meting van gelijkstroom moet u de polariteit respecteren; bij een shunt sluit u het instrument aan op de meetaansluitpunten van de shunt, binnen het aangegeven meetbereik.
- Schakel de spanning weer in en controleer of de wijzer een waarde aangeeft die overeenkomt met het naamplaatje van de belasting.
Voorzorgsmaatregelen: plaats een ampèremeter nooit parallel aan een belasting, omdat de lage weerstand een kortsluiting zou veroorzaken. De secundaire zijde van een stroomtransformator mag nooit open blijven als de primaire zijde onder spanning staat: dit kan gevaarlijke spanningen veroorzaken. Koppel het instrument voor het loskoppelen kortsluiten met de speciale aansluiting.
Aansluiting van een digitale ampèremeter
- Schakel de spanning uit en controleer of er geen spanning aanwezig is.
- Bevestig het instrument in het paneel of op de DIN-rail, afhankelijk van het formaat.
- Sluit de hulpstroom aan op de daarvoor bestemde aansluitpunten, rekening houdend met de op het etiket aangegeven spanningswaarde.
- Sluit de meeting ingang aan: direct in serie met het circuit, of op de secundaire zijde van de stroomtransformator of op de aansluitpunten van de shunt.
- Sluit eventuele alarmuitgangen, analoge uitgangen of de communicatielijn aan.
- Schakel de spanning weer in en configureer het instrument: verhouding van de stroomtransformator (primaire/secundaire zijde), hoogste meetbereik, eventuele alarmdrempels en communicatieparameters. Een onjuiste configuratie van de verhouding is de meest voorkomende oorzaak van onjuiste metingen.
De meest geavanceerde instrumenten kunnen ook worden geconfigureerd via speciale software of via het communicatienetwerk.
Onderhoud en kalibratie
Ampèremeters hebben weinig onderhoud nodig, maar geen enkel onderhoud. Enkele goede gewoonten:
- controleer periodiek de aanduiding van het instrument door deze te vergelijken met een referentieinstrument of met de nominale stroom van de belasting;
- controleer bij analoge modellen of de wijzer mechanisch op nul staat en of er geen stoten of abnormale trillingen zijn;
- controleer de aansluiting van de aansluitpunten en tekenen van oververhitting op de verbindingen;
- houd het front schoon en controleer of het display en de verlichting van de digitale modellen normaal functioneren;
- controleer periodiek de verhoudingen van de stroomtransformators en de configuratie van de digitale instrumenten.
De werkelijke kalibratie, dat wil zeggen de vergelijking met referentiemonsters en het uitgeven van een certificaat, is een activiteit die aan een geaccrediteerd laboratorium moet worden toevertrouwd (in Italië geaccrediteerd door ACCREDIA volgens ISO/IEC 17025). Dit moet worden gepland wanneer de meting contractuele, kwaliteits- of veiligheidsrelevantie heeft. Als een paneelinstrument defect raakt en de stilstand van de machine geen lange wachttijden toelaat, biedt ELEXONIK ook een service voor reparaties en technische ondersteuning op tal van industriële componenten.
Toepassingen van ampèremeters in industriële automatisering
- Motoren en driefasige belastingen: de aflezing van de stroom op elke fase, vergeleken met het naamplaatje van de motor, maakt het mogelijk om overbelasting en fase-ongelijkheden op te merken, vaak een vroegtijdig teken van mechanische problemen of degradatie van de wikkelingen.
- Generatoren en noodstroomaggregaten: de lokale meting van de geleverde stroom helpt om de belasting te controleren ten opzichte van het beschikbare vermogen.
- Voedingssystemen: een ampèremeter op gelijkstroom op de uitgang van een voeding die PLC's en sensoren bedient, onthult geleidelijke toenames in stroomopname, bijvoorbeeld door een defecte uitgang.
- Weerstandverwarming: in ovens, persen en droogovens is de door het verwarmingselement opgenomen stroom een directe indicator van de staat ervan.
- Verdeelschakelkasten: de lokale bewaking van de uitgaande lijnen helpt de onderhoudsmonteur bij de snelle diagnose van een overbelasting.
In veel van deze toepassingen wordt de stroommeting gecombineerd met andere beschermings- en controlecomponenten: bijvoorbeeld motorbeschermingsapparaten.
Ampèremeters en Industrie 4.0
Met Industrie 4.0 dient de stroommeting niet langer alleen de operator voor de schakelkast. Een digitale ampèremeter met communicatie of een analoge uitgang brengt de data naar controle- en supervisiesystemen.
- Connectiviteit: 4-20 mA uitgangen en seriële lijnen (zoals Modbus) maken het mogelijk om de waarde door te sturen naar een PLC, een SCADA-systeem of een IoT-gateway.
- Gegevensverzameling: het registreren van het verloop van de stroom in de tijd maakt het mogelijk om opnameprofielen per machine en per cyclus op te stellen.
- Voorspellende analyse: een geleidelijke afwijking van de stroomopname van een motor of weerstand kan een defect voorspellen en maakt het mogelijk om de interventie te plannen voordat de machine stilvalt. Voor een diepere blik op het monitoren van de staat van machines, zie de categorie conditiemonitoring.
Wanneer ook de energietotalisatie nodig is, maken elektriciteitsmeterapparaten de metingsketen compleet.
Waar vindt u ampèremeters en accessoires
In de ELEXONIK-catalogus vindt u de categorie ampèremeters, samen met accessoires voor paneelinstrumenten, nuttig voor onderhoud en reserveonderdelen. Als u een instrument uit productie moet vervangen, geef ons dan het merk, de aanduiding en de gegevens van de schakelkast door: we kunnen het formaat, het hoogste meetbereik en de compatibiliteit met de bestaande instrumentatie controleren. U kunt ook de pagina over reserveonderdelen en industriële componenten raadplegen of contact opnemen met ELEXONIK.