La historia del medidor de electricidad

«El gran invento del siglo xix fue el método de la invención». Esta máxima del matemático y filósofo inglés Alfred North Whitehead (1891-1947) se aplica perfectamente a la historia del medidor de electricidad, perfeccionada a través de una serie de invenciones basadas en logros y estimulando un mayor desarrollo.

La primera mitad del siglo XIX trajo brillantes descubrimientos en electromagnetismo. En 1820, el francés André-Marie Ampère (1775-1836) descubrió la interacción electrodinámica entre corrientes. En 1827, el alemán Georg Simon Ohm (1787-1854) descubrió la relación entre voltaje y corriente en un conductor. En 1831, el británico Michael Faraday (1791-1867) descubrió la ley de inducción, en la que se basa el funcionamiento de generadores, motores y transformadores.

En la segunda mitad del siglo, el suelo estaba bien preparado para aplicaciones prácticas.

Los descubrimientos fueron seguidos por invenciones y patentes. La lámpara, la dinamo, el motor, el transformador, el medidor y la turbina se inventaron en rápida sucesión. No es sorprendente que, una vez que ha llegado el momento, las invenciones históricas se logren casi simultáneamente en diferentes partes del mundo.

El húngaro Ottó Titusz Bláthy, inventor del medidor de electricidad de inducción y co-inventor del transformador, miró hacia atrás en 1930 a este emocionante período con estas palabras: «En mis días solía ser fácil. La ciencia era como un bosque tropical. Todo lo que necesitabas era un buen hacha, y donde quiera que acariciaras, podías talar un árbol enorme.»

Con la invención de la dinamo (Anyos Jedlik en 1861, Werner von Siemens en 1867) se podía generar energía eléctrica en grandes cantidades. La primera aplicación masiva de electricidad fue la iluminación. Cuando comenzó a venderse este nuevo producto, la energía eléctrica, era obvio que había que determinar el costo.

Sin embargo, no está claro cuáles deberían ser las unidades facturadas ni cuáles serían los principios de medición más adecuados.

El primer medidor fue el medidor de lámparas de Samual Gardiner (EE.UU.) patentado en 1872. Midió el tiempo durante el cual se suministró energía a la carga, ya que todas las lámparas conectadas a este medidor estaban controladas por un interruptor. La subdivisión de los circuitos de iluminación se hizo práctica con la introducción de la bombilla de Edison, y este medidor se volvió obsoleto.

Medidores electrolíticos

Thomas Alva Edison (1847-1931), quien introdujo los primeros sistemas de distribución eléctrica para iluminación con corriente continua, sostuvo que la electricidad debe venderse al igual que el gas, también utilizado ampliamente para iluminación en ese momento.

Su ‘medidor eléctrico’ patentado en 1881 (patente estadounidense No.251.545) utilizaba el efecto electroquímico de la corriente.

Contenía una celda electrolítica, en la que se colocó una tira de cobre pesada con precisión al comienzo del período de facturación. La corriente que pasaba a través del electrolito causó una deposición de cobre. Al final del período de facturación, la tira de cobre se pesó de nuevo, y la diferencia representaba la cantidad de electricidad que había pasado. El medidor fue calibrado para que las facturas pudieran ser renderizadas en pies cúbicos de gas.

Estos medidores permanecieron en uso hasta finales del siglo XIX. Sin embargo, había un gran inconveniente: la lectura del medidor era difícil para la empresa de servicios públicos e imposible para el cliente. Edison añadió más tarde un mecanismo de conteo para facilitar la lectura de contadores.

Había otros medidores electrolíticos, como el medidor de hidrógeno Siemens-Shuckert alemán y el medidor de mercurio Schott&Gen.Jena. Los medidores electrolíticos solo podían medir amperios-hora y no eran adecuados cuando el voltaje fluctuaba.

Medidores de péndulo

Otro principio posible sobre el que construir un medidor era crear algún movimiento – oscilación o rotación – proporcional a la energía, que luego podría conducir a un registro para leer.

El principio del medidor de péndulo fue descrito por los estadounidenses William Edward Ayrton y John Perry en 1881. En 1884, sin saber de su invención, Hermann Aron (1845-1902) construyó en Alemania un medidor de péndulo.

En su forma más avanzada, este medidor tenía dos péndulos, con una bobina en ambos péndulos conectada a la tensión. Debajo de los péndulos había dos bobinas de corriente que se enrollaban en direcciones opuestas. Por lo tanto, uno de los péndulos corría más lento y el otro más rápido que sin carga.

La diferencia entre los tiempos de oscilación impulsó el mecanismo de conteo. El papel de los dos péndulos se intercambiaba cada minuto, de modo que la diferencia inicial entre los tiempos de oscilación de los péndulos pudiera compensarse. Al mismo tiempo, el reloj estaba herida.

Estos medidores eran caros porque contenían dos relojes, y fueron reemplazados gradualmente por medidores de motor. Los medidores de péndulo medían amperios-hora o vatios-hora, pero solo podían usarse para corriente continua.

Medidores de motor

Otra posibilidad era usar un motor para construir un medidor. En tales medidores, el par de accionamiento es proporcional a la carga y está equilibrado por un par de frenado, de modo que la velocidad del rotor es proporcional a la carga cuando los pares están en equilibrio.

El estadounidense Elihu Thomson (1853-1937) desarrolló su «Vatímetro de grabación» en 1889 para General Electric. Era un motor sin hierro, con el rotor excitado por el voltaje a través de una bobina y una resistencia, utilizando un conmutador.

El estator estaba excitado por la corriente y, por lo tanto, el par de accionamiento era proporcional al producto de la tensión y la corriente. El par de frenado era proporcionado por un imán permanente que actuaba sobre un disco de aluminio, fijado al rotor. Este medidor se utilizó principalmente para CC. La gran desventaja de los medidores de motor era el conmutador.

Transformadores inventados

En los primeros años de la distribución de electricidad, todavía no estaba claro si los sistemas de corriente continua o los sistemas de corriente alterna serían más ventajosos.

Sin embargo, una desventaja importante de los sistemas de corriente continua pronto se hizo evidente: el voltaje no se podía cambiar, y por lo tanto no era posible construir sistemas más grandes. En 1884, el francés Lucian Gaulard (1850-1888) y el inglés John Dixon Gibbs inventaron el «generador secundario», el precursor del transformador moderno.

Un transformador práctico fue desarrollado y patentado para Ganz en 1885 por tres ingenieros húngaros: Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy y Miksa Déri. En el mismo año, Westinghouse compró la patente de Gaulard y Gibson, y William Stanley (1858-1916) perfeccionó el diseño. George Westinghouse (1846-1914) también compró las patentes de CA de Nikola Tesla.

Con esto, el sistema de electricidad de CA se hizo viable, y desde principios del siglo XX gradualmente tomó el control de los sistemas de CC. En la medición, había que resolver un nuevo problema: la medición de la energía eléctrica de CA.

Medidores de inducción

En 1885, el italiano Galileo Ferraris (1847-1897) hizo el descubrimiento clave de que dos campos de CA fuera de fase podían hacer girar una armadura sólida como un disco o un cilindro. Independientemente, el croata-estadounidense Nikola Tesla (1857-1943) también descubrió el campo eléctrico giratorio en 1888. Shallenberger también, por accidente, descubrió el efecto de los campos giratorios en 1888, y desarrolló un amperímetro de hora de aire acondicionado.

El par de frenado fue proporcionado por un ventilador. Este medidor no tenía ningún elemento de voltaje para tener en cuenta el factor de potencia; por lo tanto, no era adecuado para su uso con motores. Estos descubrimientos fueron la base de los motores de inducción y abrieron el camino a los medidores de inducción. En 1889, el húngaro Otto Titusz Bláthy (1860-1939), que trabajaba para la fábrica Ganz en Budapest, Hungría, patentó su «Medidor eléctrico para corrientes alternas» (Alemania No 52.793, EE.UU. No 423.210).

Como describe la patente: «Este medidor, esencialmente, consiste en un cuerpo metálico giratorio, como un disco o un cilindro, sobre el que actúan dos campos magnéticos desplazados en fase el uno del otro.

Dicho desplazamiento de fase de fases resulta del hecho de que un campo es producido por la corriente principal, mientras que el otro campo es excitado por una bobina de gran autoinducción desviada desde aquellos puntos del circuito entre los que se va a medir la energía consumida.

Los campos magnéticos, sin embargo, no se cruzan entre sí dentro del sólido de revolución, como en el conocido arreglo de Ferraris, sino que pasan a través de diferentes partes del mismo, independientes entre sí.»

Con esta disposición, Bláthy logró lograr un desplazamiento de fase interno de casi exactamente 90°, por lo que el medidor mostraba horas de agua más o menos correctamente. El medidor utilizaba un imán de freno para garantizar un amplio rango de medición y estaba equipado con un registro ciclométrico. Ganz comenzó la producción en el mismo año. Los primeros metros estaban montados sobre una base de madera, funcionando a 240 revoluciones por minuto, y pesaban 23 kg. En 1914, el peso se redujo a 2,6 kg.

Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) desarrolló un medidor de vatios-hora de tipo inducción para Westinghouse en 1894. Tenía las bobinas de corriente y voltaje ubicadas en lados opuestos del disco, y dos imanes permanentes que amortiguaban el mismo disco. También era grande y pesado, pesando 41 libras. Tenía un registro tipo tambor.

Ludwig Gutmann, trabajando para Sangamo, desarrolló el medidor de vatios de corriente alterna «Tipo A» en 1899. El rotor era un cilindro ranurado en espiral situado en los campos de las bobinas de tensión y corriente. Se utilizó un disco remachado en la parte inferior del cilindro para frenar con un imán permanente. No hubo ajuste del factor de potencia.

Medidores de electricidad: mejoras adicionales

En los años siguientes, se lograron muchas mejoras: reducción de peso y dimensiones, ampliación del rango de carga, compensación de cambios de factor de potencia, tensión y temperatura, eliminación de fricción mediante la sustitución de rodamientos de pivote por rodamientos de bolas y, a continuación, por rodamientos de doble jewel y rodamientos magnéticos, y mejora de la estabilidad a largo plazo mediante mejores imanes de freno y eliminación de aceite del rodamiento y del registro.

A principios de siglo, los medidores de inducción trifásicos se desarrollaron utilizando dos o tres sistemas de medición dispuestos en uno, dos o tres discos.

Las nuevas funciones

Los medidores de inducción, también conocidos como medidores Ferraris y basados en los principios del medidor Bláthy, todavía se fabrican en grandes cantidades y son los caballos de batalla de la medición, gracias a su bajo precio y excelente confiabilidad.

A medida que el uso de la electricidad se extendía, el concepto del medidor multiparticular con interruptores locales o controlados a distancia, el medidor de demanda máxima, el medidor de prepago y el maxigraph nacieron rápidamente, todo a principios de siglo.

El primer sistema de control de ondulación fue patentado en 1899 por el francés César René Loubery, y fue perfeccionado por Compagnie des Compteurs (más tarde Schlumberger), Siemens, AEG, Landis&Gyr, Zellweger y Sauter y Brown Boveri, solo por nombrar algunos. En 1934, Landis & Gyr desarrolló el medidor Trivector, que mide la energía activa y reactiva y la demanda aparente.

Medidores electrónicos y medición remota

El gran período del desarrollo inicial de los medidores había terminado. Como dijo Bláthy, continuando con su metáfora :» Ahora caminas durante días enteros sin siquiera encontrar un arbusto».

Las tecnologías electrónicas no encontraron su camino hacia la medición hasta que los primeros circuitos integrados analógicos y digitales estuvieron disponibles en la década de 1970, lo que se puede entender fácilmente si se piensa en las limitaciones de consumo de energía en las cajas de medidores cerrados y la confiabilidad esperada.

La nueva tecnología ha dado un nuevo impulso al desarrollo de contadores de electricidad. Inicialmente, se desarrollaron medidores estáticos de alta precisión, principalmente utilizando el principio de multiplicación de visión temporal. También se utilizaron celdas de pasillo, principalmente para contadores comerciales y residenciales. En la década de 1980 se construyeron medidores híbridos compuestos por medidores de inducción y unidades tarifarias electrónicas, que tuvieron una duración relativamente corta.

Medición remota

La idea de la medición remota nació en la década de 1960. Inicialmente, se utilizó la transmisión remota de pulsos, pero esta ha sido reemplazada gradualmente por el uso de varios protocolos y medios de comunicación.

Hoy en día, los medidores con funcionalidad compleja se basan en la última tecnología electrónica, utilizando procesamiento de señales digitales, y la mayoría de las funciones se implementan en firmware.

Estándares y precisión de medición

La necesidad de una estrecha cooperación entre fabricantes y servicios públicos se logró relativamente pronto. El primer estándar de medición, el Código ANSI C12 para medición de electricidad, se desarrolló ya en 1910. Su prefacio dice:»Si bien el Código se basa naturalmente en principios científicos y técnicos, el lado comercial de la medición se ha tenido en cuenta constantemente como de gran importancia».

El primer estándar de medición IEC conocido, la Publicación 43, data de 1931. El alto nivel de precisión es una característica sobresaliente que fue establecida y mantenida por la profesión de medición. Los folletos de 1914 cuentan con medidores con una precisión de 1.5% en el rango de medición de 10% o menos a 100% de la corriente máxima. IEC 43:1931 especifica la clase de precisión 2.0. Esta precisión todavía se considera adecuada para la mayoría de las aplicaciones residenciales de hoy en día, incluso para medidores estáticos.

Medidores de electricidad-el futuro

Centrándose en los aspectos comerciales de la medición y basándose en los últimos resultados en tecnología – estas son las claves para el éxito continuo en la historia de la medición.

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