L’histoire du compteur d’électricité

 » La grande invention du XIXe siècle était la méthode d’invention « . Cette maxime du mathématicien et philosophe anglais Alfred North Whitehead (1891-1947) s’applique parfaitement à l’histoire du compteur d’électricité, perfectionnée à travers une série d’inventions s’appuyant sur des réalisations et stimulant un développement ultérieur.

La première moitié du XIXe siècle a apporté de brillantes découvertes en électromagnétisme. En 1820, le Français André-Marie Ampère (1775-1836) découvre l’interaction électrodynamique entre les courants. En 1827, l’Allemand Georg Simon Ohm (1787-1854) a découvert la relation entre tension et courant dans un conducteur. En 1831, le Britannique Michael Faraday (1791-1867) a découvert la loi de l’induction, sur laquelle repose le fonctionnement des générateurs, des moteurs et des transformateurs.

Dans la seconde moitié du siècle, le sol était bien préparé pour des applications pratiques.

Les découvertes ont été suivies d’inventions et de brevets. La lampe, la dynamo, le moteur, le transformateur, le compteur et la turbine ont été inventés en succession rapide. Il n’est pas surprenant qu’une fois le temps venu, des inventions marquantes soient réalisées quasi simultanément dans différentes parties du monde.

Le Hongrois Ottó Titusz Bláthy, inventeur du compteur d’électricité à induction et co-inventeur du transformateur, revient en 1930 sur cette période passionnante avec ces mots :  » À mon époque, c’était facile. La science était comme une forêt tropicale. Tout ce dont vous aviez besoin était une bonne hache, et où que vous caressiez, vous pouviez abattre un énorme arbre. »

Avec l’invention de la dynamo (Anyos Jedlik en 1861, Werner von Siemens en 1867), l’énergie électrique pouvait être générée en grandes quantités. La première application massive d’électricité était l’éclairage. Lorsque ce nouveau produit – l’énergie électrique – a commencé à être vendu, il était évident que le coût devait être déterminé.

Il n’était cependant pas clair quels devraient être les unités facturées et quels seraient les principes de mesure les plus appropriés.

Le premier compteur était le lamphour mètre de Samual Gardiner (États-Unis) breveté en 1872. Il mesurait le temps pendant lequel l’énergie était fournie à la charge, car toutes les lampes connectées à ce compteur étaient contrôlées par un seul interrupteur. La subdivision des circuits d’éclairage est devenue pratique avec l’introduction de l’ampoule d’Edison, et ce compteur est devenu obsolète.

Compteurs électrolytiques

Thomas Alva Edison (1847-1931), qui a introduit les premiers systèmes de distribution électrique pour l’éclairage à courant continu, a estimé que l’électricité devait être vendue comme le gaz – également largement utilisé pour l’éclairage à cette époque.

Son « compteur électrique » breveté en 1881 (brevet américain n ° 251 545) utilisait l’effet électrochimique du courant.

Il contenait une cellule électrolytique dans laquelle une bande de cuivre pesée avec précision était placée au début de la période de facturation. Le courant traversant l’électrolyte a provoqué un dépôt de cuivre. À la fin de la période de facturation, la bande de cuivre a été pesée à nouveau et la différence représentait la quantité d’électricité qui avait traversé. Le compteur a été calibré de sorte que les factures puissent être rendues en pieds cubes de gaz.

Ces compteurs sont restés en usage jusqu’à la fin du XIXe siècle. Il y avait cependant un gros inconvénient: la lecture des compteurs était difficile pour le service public et impossible pour le client. Edison a ajouté plus tard un mécanisme de comptage pour faciliter la lecture des compteurs.

Il y avait d’autres compteurs électrolytiques, comme le compteur d’hydrogène allemand Siemens-Shuckert et le compteur de mercure Schott & Gen. Jena. Les compteurs électrolytiques ne pouvaient mesurer que des ampères-heures et ne convenaient pas lorsque la tension fluctuait.

Compteurs à pendule

Un autre principe possible pour construire un compteur était de créer un mouvement – oscillation ou rotation – proportionnel à l’énergie, qui pourrait ensuite conduire un registre à lire.

Le principe du pendule-mètre a été décrit par les Américains William Edward Ayrton et John Perry en 1881. En 1884, sans connaître leur invention, Hermann Aron (1845-1902) en Allemagne a construit un compteur à pendule.

Dans sa forme plus avancée, ce compteur avait deux pendules, avec une bobine sur les deux pendules connectée à la tension. Sous les pendules, il y avait deux bobines de courant s’enroulant dans des directions opposées. L’un des pendules fonctionnait donc plus lentement et l’autre plus rapidement que sans charge.

La différence entre les temps d’oscillation a entraîné le mécanisme de comptage. Le rôle des deux pendules était échangé toutes les minutes, de sorte que la différence initiale entre les temps d’oscillation des pendules pouvait être compensée. En même temps, l’horloge a été liquidée.

Ces compteurs étaient chers car ils contenaient deux horloges, et ils ont été progressivement remplacés par des compteurs à moteur. Les compteurs pendulaires mesuraient des ampères-heures ou des watthours, mais ne pouvaient être utilisés que pour le courant continu.

Compteurs moteurs

Une autre possibilité était d’utiliser un moteur pour construire un compteur. Dans de tels compteurs, le couple moteur est proportionnel à la charge et est équilibré par un couple de freinage, de sorte que la vitesse du rotor est proportionnelle à la charge lorsque les couples sont en équilibre.

L’Américain Elihu Thomson (1853 – 1937) a développé son « wattmètre d’enregistrement » en 1889 pour General Electric. C’était un moteur sans fer, avec le rotor excité par la tension à travers une bobine et une résistance, à l’aide d’un commutateur.

Le stator était excité par le courant, et le couple moteur était donc proportionnel au produit de la tension et du courant. Le couple de freinage était fourni par un aimant permanent agissant sur un disque en aluminium, fixé au rotor. Ce compteur a été utilisé principalement pour le courant continu. Le gros inconvénient des compteurs de moteur était le commutateur.

Transformateurs inventés

Dans les premières années de la distribution d’électricité, il n’était pas encore clair si les systèmes à courant continu ou à courant alternatif seraient plus avantageux.

Cependant, un inconvénient important des systèmes à courant continu est rapidement devenu évident: la tension ne pouvait pas être modifiée et il n’était donc pas possible de construire des systèmes plus grands. En 1884, le Français Lucian Gaulard (1850-1888) et l’Anglais John Dixon Gibbs inventent le  » générateur secondaire « , précurseur du transformateur moderne.

Un transformateur pratique a été développé et breveté pour Ganz en 1885 par trois ingénieurs hongrois – Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy et Miksa Déri. La même année, Westinghouse achète le brevet de Gaulard et Gibson, et William Stanley (1858-1916) perfectionne le design. George Westinghouse (1846-1914) a également acheté les brevets AC de Nikola Tesla.

Avec cela, le système d’électricité à courant alternatif est devenu réalisable et, à partir du début du 20ème siècle, il a progressivement pris le relais des systèmes à courant continu. Dans la mesure, un nouveau problème a dû être résolu– la mesure de l’énergie électrique alternative.

Compteurs à induction

En 1885, l’italien Galileo Ferraris (1847 – 1897) a fait la découverte clé que deux champs AC déphasés pouvaient faire tourner une armature solide comme un disque ou un cylindre. Indépendamment, le croato-américain Nikola Tesla (1857 – 1943) a également découvert le champ électrique rotatif en 1888. Shallenberger a également découvert – par accident – l’effet des champs rotatifs en 1888 et a développé un ampèremètre AC.

Le couple de freinage était fourni par un ventilateur. Ce compteur n’avait pas d’élément de tension pour prendre en compte le facteur de puissance; il n’était donc pas adapté à une utilisation avec des moteurs. Ces découvertes ont été à la base des moteurs à induction et ont ouvert la voie aux compteurs à induction. En 1889, le Hongrois Otto Titusz Bláthy (1860-1939), travaillant pour l’usine Ganz de Budapest, en Hongrie, breveta son « Compteur électrique pour courants alternatifs » (Allemagne n ° 52 793, États-Unis n ° 423 210).

Comme le décrit le brevet:  » Ce compteur est essentiellement constitué d’un corps rotatif métallique, tel qu’un disque ou un cylindre, sur lequel agissent deux champs magnétiques déplacés en phase l’un de l’autre.

Ledit déphasage des phases résulte du fait qu’un champ est produit par le courant principal, tandis que l’autre champ est excité par une bobine de grande auto-induction shuntée à partir des points du circuit entre lesquels l’énergie consommée doit être mesurée.

Les champs magnétiques, cependant, ne se croisent pas dans le solide de révolution, comme dans l’arrangement bien connu des Ferrari, mais traversent différentes parties de celui-ci, indépendantes les unes des autres. »

Avec cette disposition, Bláthy a réussi à obtenir un déphasage interne de presque exactement 90 °, de sorte que le compteur affichait plus ou moins correctement les watthours. Le compteur utilisait un aimant de frein pour assurer une large plage de mesure et était équipé d’un registre cyclométrique. Ganz a commencé la production la même année. Les premiers mètres ont été montés sur une base en bois, fonctionnant à 240 tours par minute et pesant 23 kg. En 1914, le poids a été réduit à 2,6 kg.

Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) a développé un compteur watthour à induction pour Westinghouse en 1894. Il avait les bobines de courant et de tension situées sur les côtés opposés du disque, et deux aimants permanents amortissant le même disque. Il était également grand et lourd, pesant 41 livres. Il avait un registre de type tambour.

Ludwig Gutmann, travaillant pour Sangamo, a développé le compteur de watthour AC « Type A » en 1899. Le rotor était un cylindre à fente en spirale positionné dans les champs des bobines de tension et de courant. Un disque riveté au fond du cylindre a été utilisé pour le freinage avec un aimant permanent. Il n’y avait pas d’ajustement du facteur de puissance.

Compteurs d’électricité – améliorations supplémentaires

Au cours des années suivantes, de nombreuses améliorations ont été réalisées: réduction du poids et des dimensions, extension de la plage de charge, compensation des changements de facteur de puissance, de tension et de température, élimination des frottements en remplaçant les roulements à pivot par des roulements à billes puis par des roulements à double embout et des roulements magnétiques, et amélioration de la stabilité à long terme par de meilleurs aimants de frein et élimination de l’huile du roulement et du registre.

Au tournant du siècle, des compteurs à induction triphasés ont été développés à l’aide de deux ou trois systèmes de mesure disposés sur un, deux ou trois disques.

Nouvelles fonctions

Les compteurs à induction, également appelés compteurs Ferraris et basés sur les principes du compteur Bláthy, sont toujours fabriqués en grande quantité et sont les chevaux de bataille du comptage, grâce à leur prix bas et à leur excellente fiabilité.

Au fur et à mesure de la propagation de l’utilisation de l’électricité, le concept de compteur multi-tarifs avec commutateurs locaux ou télécommandés, le compteur de demande maximale, le compteur de prépaiement et le maxigraph sont rapidement nés, tous au tournant du siècle.

Le premier système de contrôle d’ondulation a été breveté en 1899 par le Français César René Loubery, et a été perfectionné par la Compagnie des Compteurs (plus tard Schlumberger), Siemens, AEG, Landis & Gyr, Zellweger et Sauter et Brown Boveri, pour n’en nommer que quelques-uns. En 1934, Landis & Gyr a développé le compteur Trivector, mesurant l’énergie active et réactive et la demande apparente.

Compteurs électroniques et compteurs à distance

La grande période du développement initial des compteurs était terminée. Comme l’a dit Bláthy, poursuivant sa métaphore: « Maintenant, vous marchez pendant des jours entiers sans même trouver un buisson ».

Les technologies électroniques n’ont pas trouvé le chemin du comptage jusqu’à ce que les premiers circuits intégrés analogiques et numériques soient disponibles dans les années 1970. Cela se comprend facilement si l’on pense aux limites de consommation d’énergie dans les boîtiers de compteurs fermés et à la fiabilité attendue.

La nouvelle technologie a donné un nouvel élan au développement des compteurs d’électricité. Initialement, des compteurs statiques de haute précision ont été développés, utilisant principalement le principe de multiplication par vision temporelle. Des cellules de hall ont également été utilisées, principalement pour les compteurs commerciaux et résidentiels. Des compteurs hybrides composés de compteurs à induction et d’unités tarifaires électroniques ont été construits dans les années 1980. Cette technologie avait une durée de vie relativement courte.

Mesure à distance

L’idée de la mesure à distance est née dans les années 1960. Initialement, la transmission d’impulsions à distance était utilisée, mais elle a progressivement été remplacée par l’utilisation de divers protocoles et supports de communication.

Aujourd’hui, les compteurs aux fonctionnalités complexes sont basés sur les dernières technologies électroniques, utilisant le traitement numérique du signal, la plupart des fonctions étant implémentées dans le firmware.

Normes et précision de mesure

La nécessité d’une coopération étroite entre les fabricants et les services publics a été réalisée relativement tôt. La première norme de mesure, le Code ANSI C12 pour la mesure de l’électricité, a été développée dès 1910. Sa Préface dit: « Bien que le Code repose naturellement sur des principes scientifiques et techniques, le côté commercial du comptage a été constamment gardé à l’esprit comme d’une très grande importance ».

La première norme de mesure CEI connue, la publication 43, date de 1931. Le haut niveau de précision est une caractéristique exceptionnelle qui a été établie et maintenue par la profession de mesureur. Les feuillets datant de 1914 comportent des compteurs avec une précision de 1.5% sur la plage de mesure de 10% ou moins à 100% du courant maximum. La norme CEI 43:1931 spécifie la classe de précision 2.0. Cette précision est toujours considérée comme adéquate pour la plupart des applications résidentielles aujourd’hui, même pour les compteurs statiques.

Les compteurs d’électricité – l’avenir

Se concentrer sur les aspects commerciaux du comptage et s’appuyer sur les derniers résultats technologiques sont les clés du succès continu dans l’histoire du comptage.

Remerciements