”yhdeksännentoista vuosisadan suuri keksintö oli keksintömenetelmä”. Tämä maxim, Englanti matemaatikko ja filosofi Alfred North Whitehead (1891-1947) soveltuu täydellisesti historiaan sähkömittari, täydellistetty kautta useita keksintöjä, jotka perustuvat saavutuksiin ja edistää edelleen kehitystä.
1800-luvun alkupuolisko toi loistavia löytöjä sähkömagnetismiin. Vuonna 1820 ranskalainen André-Marie Ampère (1775-1836) löysi virtausten välisen elektrodynaamisen vuorovaikutuksen. Vuonna 1827 Saksalainen Georg Simon Ohm (1787-1854) havaitsi jännitteen ja virran välisen suhteen johtimessa. Vuonna 1831 Brittiläinen Michael Faraday (1791-1867) keksi induktion lain, johon generaattorien, moottorien ja muuntajien toiminta perustuu.
vuosisadan jälkipuoliskolla maaperä oli hyvin valmisteltu käytännön sovelluksia varten.
Löytöjä seurasivat keksinnöt ja patentit. Lamppu, dynamo, Moottori, muuntaja, mittari ja turbiini keksittiin nopeasti peräkkäin. Ei ole yllättävää, että kun aika on kypsä, virstanpylväskeksinnöt saavutetaan lähes samanaikaisesti eri puolilla maailmaa.
unkarilainen Ottó Titusz Bláthy, induktiosähkömittarin keksijä ja muuntajan toinen keksijä, katsoi vuonna 1930 tätä jännittävää aikaa seuraavin sanoin: ”minun aikanani se oli helppoa. Tiede oli kuin trooppinen metsä. Tarvittiin vain hyvä kirves, ja missä tahansa lyötkin, voit kaataa valtavan puun.”
Dynamon keksimisen (Anyos Jedlik 1861, Werner von Siemens 1867) myötä sähköenergiaa voitiin tuottaa suuria määriä. Ensimmäinen sähkön massasovellus oli Valaistus. Kun tätä uutta tuotetta – sähköenergiaa-alettiin myydä, oli selvää, että kustannukset oli määritettävä.
ei kuitenkaan ollut selvää, mitä laskutettavien yksiköiden pitäisi olla ja mitkä olisivat sopivimmat mittausperiaatteet.
varhaisin mittari oli Samual Gardinerin (USA) vuonna 1872 patentoima lampurimittari. Se mittasi aikaa, jonka aikana kuormaan syötettiin energiaa, sillä kaikkia tähän mittariin kytkettyjä lamppuja ohjattiin yhdellä kytkimellä. Valaisinpiirien subdivointi tuli käytännölliseksi Edisonin hehkulampun käyttöönoton myötä, ja tämä mittari kävi vanhentuneeksi.
Elektrolyyttimittarit
Thomas Alva Edison (1847-1931), joka esitteli ensimmäiset tasavirtaa käyttävät sähkönjakelujärjestelmät valaistukseen, oli sitä mieltä, että sähköä on myytävä aivan kuten kaasua – sitä käytettiin tuohon aikaan paljon myös valaistukseen.
hänen vuonna 1881 patentoimansa ”sähkömittari” (USA: n patentti nro 251,545) käytti virran sähkökemiallista vaikutusta.
siinä oli elektrolyyttikenno, johon laskutuskauden alussa laitettiin tarkasti punnittu kuparikaistale. Elektrolyytin läpi kulkeva virta aiheutti kuparin laskeuman. Laskutuskauden lopussa kuparinauha punnittiin uudelleen, ja erotus vastasi läpi kulkeneen sähkön määrää. Mittari kalibroitiin niin, että setelit voitiin renderoida kuutiometreissä kaasua.
nämä mittarit säilyivät käytössä 1800-luvun loppuun saakka. Oli kuitenkin yksi suuri haitta – mittarilukema oli sähkölaitokselle vaikea ja asiakkaalle mahdoton. Myöhemmin Edison lisäsi siihen laskumekanismin, joka auttaa mittareiden lukemisessa.
oli muitakin elektrolyyttimittareita, kuten saksalainen Siemens-Shuckert vetymittari ja Schott&Gen. Jena elohopeamittari. Elektrolyyttisillä mittareilla voitiin mitata vain ampeeritunteja, eivätkä ne olleet sopivia jännitteen vaihtellessa.
Heilurimittari
toinen mahdollinen periaate, jonka varaan metri piti rakentaa, oli luoda jokin energiaan suhteutettu liike – värähtely tai pyörimisliike, joka saattoi sitten ajaa rekisterin lukemaan.
Heilurimittarin periaatteen kuvailivat yhdysvaltalaiset William Edward Ayrton ja John Perry vuonna 1881. Vuonna 1884 Saksalainen Hermann Aron (1845-1902) rakensi tietämättään heidän keksinnöstään heilurimittarin.
kehittyneemmässä muodossaan tässä mittarissa oli kaksi heiluria, joissa molemmissa heilureissa oli jännite kytkettynä. Pendulumien alapuolella oli kaksi vastakkaisiin suuntiin kiemurtelevaa virtakäämiä. Toinen heilureista kulki siis hitaammin ja toinen nopeammin kuin ilman kuormaa.
värähtelyaikojen ero ajoi laskentamekanismia. Kahden heilurin rooli vaihdettiin minuutin välein, jotta heilurien värähtelyaikojen välinen alkuero voitiin kompensoida. Samalla kelloa purettiin.
nämä mittarit olivat kalliita, koska niissä oli kaksi kelloa, ja ne korvattiin vähitellen moottorimittareilla. Heilurimittareilla mitattiin ampeeritunteja tai wattitunteja, mutta niitä voitiin käyttää vain tasavirtaan.
Moottorimittarit
toinen mahdollisuus oli käyttää moottoria mittarin rakentamiseen. Tällaisissa mittareissa ajomomentti on verrannollinen kuormitukseen ja sitä tasapainottaa jarrutusmomentti siten, että roottorin nopeus on verrannollinen kuormitukseen, kun vääntömomentit ovat tasapainossa.
amerikkalainen Elihu Thomson (1853 – 1937) kehitti ”Recording wattmeterinsä” vuonna 1889 General Electricille. Se oli raudaton moottori, jossa roottori sai jännitteen viritettyä kelan ja vastuksen kautta kommutaattorin avulla.
staattori oli virranvirrasta innostunut, ja ajomomentti oli siten verrannollinen jännitteen ja virran tuloon. Jarrutusmomentti saatiin aikaan roottoriin kiinnitetyllä alumiinilevyllä toimivalla kestomagneetilla. Mittaria käytettiin lähinnä tasavirtaan. Moottorimittareiden suuri haitta oli kommutaattori.
muuntajat keksittiin
sähkönjakelun alkuvuosina, mutta vielä ei ollut selvää, olisivatko tasavirtajärjestelmät vai vaihtovirtajärjestelmät edullisempia.
tasavirtajärjestelmien merkittävä haitta kävi kuitenkin pian ilmi: jännitettä ei voitu muuttaa, eikä siksi ollut mahdollista rakentaa suurempia järjestelmiä. Vuonna 1884 ranskalainen Lucian Gaulard (1850-1888) ja englantilainen John Dixon Gibbs keksivät ”sekundäärigeneraattorin”, nykyaikaisen muuntajan edeltäjän.
kolme unkarilaista insinööriä – Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy ja Miksa Déri-kehittivät ja patentoivat ganzille käytännöllisen muuntajan vuonna 1885. Samana vuonna Westinghouse osti gaulardin ja Gibsonin patentin, ja William Stanley (1858-1916) viimeisteli mallin. George Westinghouse (1846-1914) osti myös Nikola Teslan AC-patentit.
tämän myötä VAIHTOVIRTASÄHKÖJÄRJESTELMÄ tuli mahdolliseksi, ja 1900-luvun alusta se siirtyi vähitellen TASAVIRTAJÄRJESTELMIEN alaisuuteen. Mittauksessa oli ratkaistava Uusi ongelma: VAIHTOVIRTASÄHKÖN mittaus.
Induktiomittarit
vuonna 1885 Italialainen Galileo Ferraris (1847 – 1897) teki keskeisen havainnon, että kaksi vaiheen ulkopuolista VAIHTOVIRTAKENTTÄÄ pystyi tekemään kiinteän armatuurin kuten levyn tai sylinterin pyörimisen. Itsenäisesti myös kroatialais-yhdysvaltalainen Nikola Tesla (1857 – 1943) löysi pyörivän Sähkökentän vuonna 1888. Myös Shallenberger löysi sattumalta pyörivien kenttien vaikutuksen vuonna 1888 ja kehitti AC ampeerituntimittarin.
jarrutusmomentti saatiin puhaltimesta. Tässä mittarissa ei ollut jänniteelementtiä tehokertoimen huomioon ottamiseksi, joten se ei soveltunut käytettäväksi moottoreiden kanssa. Nämä löydöt olivat induktiomoottoreiden perusta ja avasivat tien induktiomittareille. Vuonna 1889 unkarilainen Otto Titusz Bláthy (1860-1939), joka työskenteli Ganzin tehtailla Budapestissa Unkarissa, patentoi ”Sähkömittarinsa vaihtovirtoja varten” (Saksa nro 52,793, USA nro 423,210).
kuten patentti kuvailee: ”Tämä mittari koostuu pääasiassa metallista pyörivästä kappaleesta, kuten kiekosta tai sylinteristä, johon vaikuttavat kaksi toisistaan vaiheittain siirtynyttä magneettikenttää.
mainittu faasien Siirtymä johtuu siitä, että päävirta tuottaa kentän, kun taas toista kenttää jännittää suuren itseinduktion kela, joka vieritetään piirin niistä pisteistä, joiden välillä kulutettu energia mitataan.
magneettikentät eivät kuitenkaan risteä toisiaan vallankumouksen kiinteän aineen sisällä, kuten Ferrarien tunnetussa järjestelyssä, vaan kulkevat saman eri osien läpi toisistaan riippumattomina.”
tällä järjestelyllä Bláthy onnistui saavuttamaan sisäisen vaihesiirtymän lähes täsmälleen 90°, joten mittari näytti wattitunteja enemmän tai vähemmän oikein. Mittarissa käytettiin jarrumagneettia laajan mittausalueen varmistamiseksi ja se oli varustettu syklometrisellä rekisterillä. Ganz aloitti tuotannon samana vuonna. Ensimmäiset metrit asennettiin puiselle alustalle, ja ne kulkivat 240 kierrosta minuutissa ja painoivat 23 kg. Vuoteen 1914 mennessä painoa vähennettiin 2,6 kilogrammaan.
Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) kehitti induktiotyyppisen watthour-mittarin Westinghouselle vuonna 1894. Siinä oli virta-ja jännitekäämit, jotka sijaitsivat levyn vastakkaisilla puolilla, sekä kaksi kestomagneettia, jotka vaimensivat samaa kiekkoa. Se oli myös suuri ja painava ja painoi 41 kiloa. Siinä oli rumputyyppinen Rekisteri.
Sangamon palveluksessa ollut Ludwig Gutmann kehitti vuonna 1899″ A-tyypin ” AC watthour-mittarin. Roottori oli spiraalimainen sylinteri, joka oli sijoitettu jännite-ja virtakäämien kenttiin. Kestomagneetilla jarrutukseen käytettiin sylinterin pohjaan niitattua levyä. Tehokertoimen säätöä ei ollut.
sähkömittarit – lisäparannuksia
seuraavina vuosina saavutettiin monia parannuksia: painon ja mittojen vähentäminen, kuormitusalueen laajentaminen, tehokertoimen, jännitteen ja lämpötilan muutosten kompensointi, kitkan poistaminen korvaamalla nivellaakerit kuulalaakereilla ja sen jälkeen kaksoisjuurilaakereilla ja magneettilaakereilla sekä pitkän aikavälin vakauden parantaminen paremmilla jarrumagneeteilla ja öljyn poistaminen laakerista ja rekisteristä.
vuosisadan vaihteessa kehitettiin kolmivaiheiset induktiomittarit, joissa käytettiin kahta tai kolmea mittausjärjestelmää, jotka oli järjestetty yhdelle, kahdelle tai kolmelle levykkeelle.
uusia toimintoja
Induktiomittareita, joita kutsutaan myös Ferrarimittareiksi ja jotka perustuvat Bláthy-mittarin periaatteisiin, valmistetaan edelleen suuria määriä, ja ne ovat mittaamisen työhevosia alhaisen hintansa ja erinomaisen luotettavuutensa ansiosta.
sähkön käytön yleistyessä syntyi nopeasti käsite monitariffimittari paikallis-tai kauko-ohjattavilla kytkimillä, maksimikysyntämittari, ennakkomaksumittari ja maxigraph, kaikki vuosisadan vaihteessa.
ensimmäisen ripple control-järjestelmän patentoi vuonna 1899 ranskalainen César René Loubery, ja sen viimeistelivät Compagnie des Compteurs (myöhemmin Schlumberger), Siemens, AEG, Landis&Gyr, Zellweger sekä Sauter ja Brown Boveri, vain muutamia mainitakseni. Vuonna 1934 Landis&Gyr kehitti Trivektorimittarin, joka mittasi aktiivista ja reaktiivista energiaa sekä näennäistä kysyntää.
elektroniset Mittarit ja etämittarit
mittareiden alkukehityksen suuri aika oli ohi. Kuten Bláthy asian ilmaisi jatkaen metaforaansa:”nyt kävelet kokonaisia päiviä löytämättä edes puskaa”.
elektroninen teknologia löysi tiensä mittaukseen vasta, kun ensimmäiset analogiset ja digitaaliset integroidut piirit tulivat saataville 1970-luvulla. tämä on helppo ymmärtää, jos ajattelee suljettujen mittarilaatikoiden virrankulutusrajoituksia ja odotettua luotettavuutta.
uusi tekniikka on antanut uutta pontta sähkömittareiden kehittämiselle. Aluksi kehitettiin korkean tarkkuuden staattisia mittareita, jotka käyttivät pääasiassa timedivision-kertolaskuperiaatetta. Hallin sellejä käytettiin myös lähinnä liike-ja asuinmittareihin. Induktiomittareista ja elektronisista tariffiyksiköistä koostuvat hybridimittarit rakennettiin 1980-luvulla.
Etämittaus
ajatus etämittauksesta syntyi 1960-luvulla. Aluksi käytettiin etäpulssilähetystä, mutta tämä on vähitellen korvattu erilaisilla protokollilla ja viestintävälineillä.
nykyään monitahoiset mittarit perustuvat uusimpaan elektroniseen tekniikkaan, jossa käytetään digitaalista signaalinkäsittelyä, ja useimmat toiminnot on toteutettu firmwaressa.
standardit ja mittaustarkkuus
tarve tiiviiseen yhteistyöhön valmistajien ja yleishyödyllisten laitosten välillä saavutettiin suhteellisen varhain. Ensimmäinen mittausstandardi, sähkönmittaukseen tarkoitettu ANSI C12-koodi, kehitettiin jo vuonna 1910. Sen esipuheessa sanotaan: ”vaikka säännöstö perustuu luonnollisesti tieteellisiin ja teknisiin periaatteisiin, mittauksen kaupallinen puoli on pidetty jatkuvasti mielessä erittäin tärkeänä.”
ensimmäinen tunnettu IEC-mittausstandardi, julkaisu 43, on vuodelta 1931. Korkea tarkkuus on erinomainen ominaisuus, joka perustettiin ja ylläpitää mittausammattilainen. Jo vuoden 1914 lehtisissä on mittareita, joiden tarkkuus on 1.5% mittausalueella, joka on enintään 10-100% enimmäisvirrasta. IEC 43:1931 määrittää tarkkuusluokan 2.0. Tätä tarkkuutta pidetään edelleen riittävänä useimmissa asuinsovelluksissa nykyään, jopa staattisissa mittareissa.
sähkömittarit-tulevaisuus
keskittyen mittauksen liiketoiminnallisiin näkökohtiin ja kehittäen tekniikan viimeisimpiä tuloksia – nämä ovat avaimia mittauksen historian jatkuvalle menestykselle.