“ Die große Erfindung des neunzehnten Jahrhunderts war die Methode der Erfindung“. Diese Maxime des englischen Mathematikers und Philosophen Alfred North Whitehead (1891-1947) gilt perfekt für die Geschichte des Stromzählers, perfektioniert durch eine Reihe von Erfindungen, die auf Errungenschaften aufbauen und die Weiterentwicklung anregen.
Die erste Hälfte des 19.Jahrhunderts brachte glänzende Entdeckungen im Elektromagnetismus. 1820 entdeckte der Franzose André-Marie Ampère (1775-1836) die elektrodynamische Wechselwirkung zwischen Strömen. 1827 entdeckte der deutsche Georg Simon Ohm (1787-1854) die Beziehung zwischen Spannung und Strom in einem Leiter. 1831 entdeckte der Brite Michael Faraday (1791-1867) das Induktionsgesetz, auf dem der Betrieb von Generatoren, Motoren und Transformatoren basiert.
In der zweiten Hälfte des Jahrhunderts war der Boden gut für praktische Anwendungen vorbereitet.
Auf Entdeckungen folgten Erfindungen und Patente. Die Lampe, der Dynamo, der Motor, der Transformator, das Messgerät und die Turbine wurden in schneller Folge erfunden. Es ist nicht verwunderlich, dass, sobald die Zeit reif ist, Meilensteinerfindungen quasi gleichzeitig in verschiedenen Teilen der Welt erreicht werden.
Der Ungar Ottó Titusz Bláthy, Erfinder des Induktionsstromzählers und Miterfinder des Transformators, blickte 1930 mit den Worten auf diese spannende Zeit zurück: „Zu meiner Zeit war es einfach. Die Wissenschaft war wie ein tropischer Wald. Alles, was Sie brauchten, war eine gute Axt, und wo immer Sie streichelten, konnten Sie einen riesigen Baum fällen.“
Mit der Erfindung des Dynamos (Anyos Jedlik 1861, Werner von Siemens 1867) konnte elektrische Energie in großen Mengen erzeugt werden. Die erste Massenanwendung von Elektrizität war die Beleuchtung. Als dieses neue Produkt – elektrische Energie – verkauft wurde, war es offensichtlich, dass die Kosten ermittelt werden mussten.
Es war jedoch nicht klar, wie die in Rechnung gestellten Einheiten aussehen sollten und welche Messprinzipien am besten geeignet wären.
Der früheste Zähler war Samual Gardiners (USA) Lamphour Meter, der 1872 patentiert wurde. Es maß die Zeit, in der der Last Energie zugeführt wurde, da alle an dieses Messgerät angeschlossenen Lampen von einem Schalter gesteuert wurden. Das Unterteilen von Beleuchtungskreisen wurde mit der Einführung von Edisons Glühbirne praktisch, und dieses Messgerät wurde veraltet.
Elektrolysezähler
Thomas Alva Edison (1847-1931), der die ersten elektrischen Verteilungssysteme für die Beleuchtung mit Gleichstrom einführte, vertrat die Auffassung, dass Strom genau wie Gas verkauft werden muss – damals auch ausgiebig für die Beleuchtung verwendet.
Sein 1881 patentierter Stromzähler (USA Patent No. 251,545) nutzte den elektrochemischen Effekt von Strom.
Es enthielt eine Elektrolysezelle, in die zu Beginn des Abrechnungszeitraums ein genau gewogener Kupferstreifen eingelegt wurde. Der durch den Elektrolyten fließende Strom verursachte eine Ablagerung von Kupfer. Am Ende des Abrechnungszeitraums wurde das Kupferband erneut gewogen, und die Differenz stellte die durchgelassene Strommenge dar. Das Messgerät wurde so kalibriert, dass die Rechnungen in Kubikfuß Gas wiedergegeben werden konnten.
Diese Zähler blieben bis zum Ende des 19. Es gab jedoch einen großen Nachteil – der Zählerstand war für das Versorgungsunternehmen schwierig und für den Kunden unmöglich. Edison fügte später einen Zählmechanismus hinzu, um den Zählerstand zu unterstützen.
Es gab andere Elektrolysezähler, wie den deutschen Siemens-Shuckert Wasserstoffzähler und den Schott& Gen. Jena Quecksilberzähler. Elektrolytmeter konnten nur Amperestunden messen und waren bei Spannungsschwankungen nicht geeignet.
Pendelzähler
Ein weiteres mögliches Prinzip, auf dem ein Zähler aufgebaut werden konnte, bestand darin, eine Bewegung – Schwingung oder Rotation – proportional zur Energie zu erzeugen, die dann ein Register zum Lesen antreiben konnte.
Das Prinzip des Pendelzählers wurde 1881 von den Amerikanern William Edward Ayrton und John Perry beschrieben. Ohne von ihrer Erfindung zu wissen, konstruierte Hermann Aron (1845-1902) 1884 in Deutschland einen Pendelzähler.
In seiner fortgeschritteneren Form hatte dieses Messgerät zwei Pendel, wobei an beiden Pendeln eine Spule an die Spannung angeschlossen war. Unterhalb der Pendel befanden sich zwei Stromspulen, die sich in entgegengesetzte Richtungen wickelten. Eines der Pendel lief daher langsamer und das andere schneller als ohne Last.
Die Differenz zwischen den Schwingungszeiten trieb den Zählmechanismus an. Die Rolle der beiden Pendel wurde jede Minute getauscht, so dass die anfängliche Differenz zwischen den Schwingungszeiten der Pendel ausgeglichen werden konnte. Zur gleichen Zeit wurde die Uhr aufgezogen.
Diese Zähler waren teuer, weil sie zwei Uhren enthielten, und sie wurden allmählich durch Motorzähler ersetzt. Pendelzähler gemessen Amperestunden oder Wattstunden, konnte aber nur für Gleichstrom verwendet werden.
Motorzähler
Eine andere Möglichkeit bestand darin, einen Motor zum Bau eines Zählers zu verwenden. In solchen Zählern ist das Antriebsmoment proportional zur Last und wird durch ein Bremsmoment ausgeglichen, so dass die Rotordrehzahl proportional zur Last ist, wenn die Drehmomente im Gleichgewicht sind.
Der Amerikaner Elihu Thomson (1853- 1937) entwickelte 1889 sein ‚Recording Wattmeter‘ für General Electric. Es war ein eisenloser Motor, bei dem der Rotor durch die Spannung über eine Spule und einen Widerstand unter Verwendung eines Kommutators angeregt wurde.
Der Stator wurde durch den Strom erregt, und das Antriebsmoment war daher proportional zum Produkt aus Spannung und Strom. Das Bremsmoment wurde durch einen Permanentmagneten bereitgestellt, der auf eine am Rotor befestigte Aluminiumscheibe wirkte. Dieses Messgerät wurde hauptsächlich für Gleichstrom verwendet. Der große Nachteil der Motorzähler war der Kommutator.
Transformatoren erfunden
In den Anfangsjahren der Stromverteilung war noch nicht klar, ob Gleichstromsysteme oder Wechselstromsysteme vorteilhafter wären.
Ein wichtiger Nachteil von Gleichstromsystemen zeigte sich jedoch bald – die Spannung konnte nicht geändert werden, und daher war es nicht möglich, größere Systeme zu bauen. 1884 erfanden der Franzose Lucian Gaulard (1850-1888) und der Engländer John Dixon Gibbs den Sekundärgenerator, den Vorläufer des modernen Transformators.
Ein praktischer Transformator wurde 1885 von drei ungarischen Ingenieuren – Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy und Miksa Déri – für Ganz entwickelt und patentiert. Im selben Jahr kaufte Westinghouse das Patent von Gaulard und Gibson, und William Stanley (1858-1916) perfektionierte das Design. George Westinghouse (1846-1914) kaufte auch die Wechselstrompatente von Nikola Tesla.
Damit wurde das Wechselstromsystem realisierbar und übernahm ab Anfang des 20. Bei der Messung musste ein neues Problem gelöst werden – die Messung von elektrischer Wechselstromenergie.
Induktionsmesser
1885 machte der Italiener Galileo Ferraris (1847- 1897) die entscheidende Entdeckung, dass zwei phasenverschobene Wechselstromfelder einen festen Anker wie eine Scheibe oder einen Zylinder drehen lassen können. Unabhängig davon entdeckte 1888 auch der kroatisch-Amerikaner Nikola Tesla (1857- 1943) das rotierende elektrische Feld. Shallenberger entdeckte 1888 zufällig auch die Wirkung rotierender Felder und entwickelte einen Wechselstrom-Amperestundenzähler.
Das Bremsmoment wurde von einem Lüfter bereitgestellt. Dieses Messgerät hatte kein Spannungselement, um den Leistungsfaktor zu berücksichtigen; Daher war es nicht für den Einsatz mit Motoren geeignet. Diese Entdeckungen waren die Grundlage für Induktionsmotoren und ebneten den Weg zu Induktionsmessgeräten. Im Jahr 1889 patentierte der Ungar Otto Titusz Bláthy (1860-1939), der für die Ganz-Werke in Budapest, Ungarn, arbeitete, seinen ‚Stromzähler für Wechselstrom‘ (Deutschland Nr. 52.793, USA Nr. 423.210).
Wie das Patent beschreibt: „Dieses Messgerät besteht im Wesentlichen aus einem metallischen rotierenden Körper, wie einer Scheibe oder einem Zylinder, der von zwei voneinander phasenverschobenen Magnetfeldern beaufschlagt wird.
Die genannte Phasenverschiebung der Phasen ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Feld durch den Hauptstrom erzeugt wird, während das andere Feld durch eine Spule großer Selbstinduktion angeregt wird, die von den Punkten des Stromkreises, zwischen denen die verbrauchte Energie gemessen werden soll, überbrückt wird.
Die Magnetfelder kreuzen sich jedoch nicht innerhalb des Rotationskörpers, wie bei der bekannten Anordnung von Ferraris, sondern durchlaufen unabhängig voneinander verschiedene Teile desselben.“
Mit dieser Anordnung gelang es Bláthy, eine interne Phasenverschiebung von fast genau 90° zu erreichen, so dass das Messgerät die Wattstunden mehr oder weniger korrekt anzeigte. Das Messgerät verwendete einen Bremsmagneten, um einen großen Messbereich zu gewährleisten, und war mit einem zyklometrischen Register ausgestattet. Ganz begann im selben Jahr mit der Produktion. Die ersten Meter waren auf einem Holzsockel montiert, liefen mit 240 Umdrehungen pro Minute und wogen 23 kg. Bis 1914 wurde das Gewicht auf 2,6 kg reduziert.
Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) entwickelte 1894 ein Induktions-Wattstunden-Messgerät für Westinghouse. Es hatte die Strom- und Spannungsspulen auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe und zwei Permanentmagnete auf derselben Scheibe. Es war auch groß und schwer und wog 41 Pfund. Es hatte ein trommelartiges Register.
Ludwig Gutmann entwickelte 1899 bei Sangamo den Wechselstrom-Wattstundenzähler „Typ A“. Der Rotor war ein spiralförmig geschlitzter Zylinder, der in den Feldern der Spannungs- und Stromspulen positioniert war. Eine am Boden des Zylinders genietete Scheibe wurde zum Bremsen mit einem Permanentmagneten verwendet. Es gab keine Anpassung des Leistungsfaktors.
Stromzähler – weitere Verbesserungen
In den folgenden Jahren wurden viele Verbesserungen erzielt: reduzierung von Gewicht und Abmessungen, Erweiterung des Lastbereichs, Kompensation von Änderungen des Leistungsfaktors, der Spannung und der Temperatur, Beseitigung der Reibung durch Austausch von Drehlagern durch Kugellager und dann durch Doppeljuwellager und Magnetlager, und Verbesserung der Langzeitstabilität durch bessere Bremsmagnete und Beseitigung von Öl aus dem Lager und dem Register.
Um die Jahrhundertwende wurden dreiphasige Induktionszähler mit zwei oder drei Messsystemen entwickelt, die auf einer, zwei oder drei Scheiben angeordnet waren.
Neue Funktionen
Induktionsmessgeräte, auch Ferraris-Messgeräte genannt, basieren auf den Prinzipien des Bláthy-Messgeräts und werden immer noch in großen Stückzahlen hergestellt und sind dank ihres niedrigen Preises und ihrer hervorragenden Zuverlässigkeit die Arbeitspferde der Messung.
Als sich die Nutzung von Elektrizität ausbreitete, entstand um die Jahrhundertwende schnell das Konzept des Mehrtarifzählers mit lokalen oder ferngesteuerten Schaltern, des Maximalnachfragezählers, des Vorauszahlungszählers und des Maxigraphs.
Das erste Rundsteuersystem wurde 1899 vom Franzosen César René Loubery patentiert und von Compagnie des Compteurs (später Schlumberger), Siemens, AEG, Landis&Gyr, Zellweger und Sauter sowie Brown Boveri perfektioniert, um nur einige zu nennen. 1934 entwickelte Landis&Gyr den Trivector-Zähler, der Wirk- und Blindenergie sowie scheinbaren Bedarf misst.
Elektronische Zähler und Fernmessung
Die große Zeit der anfänglichen Entwicklung von Zählern war vorbei. Wie Bláthy es ausdrückte und seine Metapher fortsetzte: „Jetzt gehst du ganze Tage lang, ohne auch nur einen Busch zu finden“.
Erst als in den 1970er Jahren die ersten analogen und digitalen integrierten Schaltkreise verfügbar wurden, fanden elektronische Technologien ihren Weg in die Messung. Dies ist leicht zu verstehen, wenn man an die Stromverbrauchsbeschränkungen in den geschlossenen Zählerkästen und die erwartete Zuverlässigkeit denkt.
Die neue Technologie hat der Entwicklung von Stromzählern neue Impulse gegeben. Zunächst wurden hochpräzise statische Messgeräte entwickelt, die hauptsächlich das Timedivision-Multiplikationsprinzip verwendeten. Hallenzellen wurden auch hauptsächlich für gewerbliche und private Zähler verwendet. Hybride Zähler, bestehend aus Induktionszählern und elektronischen Tarifeinheiten, wurden in den 1980er Jahren gebaut. Diese Technologie hatte eine relativ kurze Laufzeit.
Fernmessung
Die Idee der Fernmessung wurde in den 1960er Jahren geboren. Anfangs wurde die Fernimpulsübertragung verwendet, die jedoch allmählich durch die Verwendung verschiedener Protokolle und Kommunikationsmedien ersetzt wurde.
Heute basieren Zähler mit komplexer Funktionalität auf der neuesten elektronischen Technologie unter Verwendung digitaler Signalverarbeitung, wobei die meisten Funktionen in Firmware implementiert sind.
Standards und Messgenauigkeit
Die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Herstellern und Versorgungsunternehmen wurde relativ früh erreicht. Der erste Messstandard, der ANSI C12 Code for electricity Metering, wurde bereits 1910 entwickelt. In seinem Vorwort heißt es: „Während der Kodex natürlich auf wissenschaftlichen und technischen Prinzipien basiert, wurde die kommerzielle Seite des Kodex ständig als sehr wichtig angesehen“.
Die erste bekannte IEC-Messnorm, Publikation 43, stammt aus dem Jahr 1931. Der hohe Genauigkeitsstandard ist ein herausragendes Merkmal, das von der Messbranche etabliert und gepflegt wurde. Flugblätter von bereits 1914 verfügen über Meter mit einer Genauigkeit von 1.5% über den Messbereich von 10% oder weniger bis 100% des Maximalstroms. IEC 43:1931 spezifiziert die Genauigkeitsklasse 2.0. Diese Genauigkeit wird auch heute noch für die meisten Anwendungen in Privathaushalten als ausreichend angesehen, selbst für statische Zähler.
Stromzähler – die Zukunft
Die Konzentration auf die Geschäftsaspekte des Messens und der Aufbau auf den neuesten technologischen Ergebnissen – dies sind die Schlüssel für den anhaltenden Erfolg in der Geschichte des Messens.