La storia del contatore elettrico

“La grande invenzione dell’Ottocento fu il metodo dell’invenzione”. Questa massima del matematico e filosofo inglese Alfred North Whitehead (1891-1947) si applica perfettamente alla storia del contatore elettrico, perfezionato attraverso una serie di invenzioni basate sui risultati e stimolando un ulteriore sviluppo.

La prima metà del 19 ° secolo portò brillanti scoperte nell’elettromagnetismo. Nel 1820, il francese André-Marie Ampère (1775-1836) scoprì l’interazione elettrodinamica tra correnti. Nel 1827, il tedesco Georg Simon Ohm (1787-1854) scoprì la relazione tra tensione e corrente in un conduttore. Nel 1831, il britannico Michael Faraday (1791-1867) scoprì la legge dell’induzione, su cui si basa il funzionamento di generatori, motori e trasformatori.

Entro la seconda metà del secolo, il terreno era ben preparato per le applicazioni pratiche.

Le scoperte sono state seguite da invenzioni e brevetti. La lampada, la dinamo, il motore, il trasformatore, il contatore e la turbina sono stati inventati in rapida successione. Non sorprende che una volta maturi i tempi, le invenzioni di pietra miliare siano raggiunte quasi contemporaneamente in diverse parti del mondo.

L’ungherese Ottó Titusz Bláthy, inventore del contatore elettrico ad induzione e co-inventore del trasformatore, ha guardato indietro nel 1930 a questo periodo emozionante con queste parole: “Ai miei giorni era facile. La scienza era come una foresta tropicale. Tutto quello che serviva era una buona ascia, e ovunque si accarezza, si poteva abbattere un albero enorme.”

Con l’invenzione della dinamo (Anyos Jedlik nel 1861, Werner von Siemens nel 1867) l’energia elettrica poteva essere generata in grandi quantità. La prima applicazione di massa dell’elettricità era l’illuminazione. Quando questo nuovo prodotto – energia elettrica – ha iniziato ad essere venduto, era ovvio che il costo doveva essere determinato.

Non era chiaro, tuttavia, quali dovrebbero essere le unità fatturate e quali sarebbero i principi di misurazione più adatti.

Il primo misuratore fu il lamphour meter di Samual Gardiner (USA) brevettato nel 1872. Misurava il tempo durante il quale veniva fornita energia al carico, poiché tutte le lampade collegate a questo misuratore erano controllate da un interruttore. La suddivisione dei circuiti di illuminazione divenne pratica con l’introduzione della lampadina di Edison e questo misuratore divenne obsoleto.

Contatori elettrolitici

Thomas Alva Edison (1847-1931), che introdusse i primi sistemi di distribuzione elettrica per l’illuminazione a corrente continua, sosteneva che l’elettricità doveva essere venduta proprio come il gas – usato anche ampiamente per l’illuminazione in quel momento.

Il suo’ contatore elettrico ‘ brevettato nel 1881 (brevetto USA n.251.545) utilizzava l’effetto elettrochimico della corrente.

Conteneva una cella elettrolitica, in cui una striscia di rame accuratamente pesata era posta all’inizio del periodo di fatturazione. La corrente che passa attraverso l’elettrolita ha causato una deposizione di rame. Alla fine del periodo di fatturazione, la striscia di rame è stata pesata di nuovo e la differenza rappresentava la quantità di elettricità che era passata. Il contatore è stato calibrato in modo che le bollette potrebbero essere resi in piedi cubi di gas.

Questi metri rimasero in uso fino alla fine del xix secolo. C’era, tuttavia, un grande inconveniente: la lettura del contatore era difficile per l’utilità e impossibile per il cliente. Edison in seguito ha aggiunto un meccanismo di conteggio per aiutare la lettura dei contatori.

C’erano altri contatori elettrolitici, come il misuratore di idrogeno tedesco Siemens-Shuckert e il misuratore di mercurio Schott &Gen. Jena. I misuratori elettrolitici potevano misurare solo ampere-ore e non erano adatti quando la tensione oscillava.

Pendolo metri

Un altro possibile principio su cui costruire un metro era quello di creare qualche movimento – oscillazione o rotazione – proporzionale all’energia, che potrebbe quindi guidare un registro da leggere.

Il principio del pendolo è stato descritto dagli americani William Edward Ayrton e John Perry nel 1881. Nel 1884, senza sapere della loro invenzione, Hermann Aron (1845-1902) in Germania costruì un metro a pendolo.

Nella sua forma più avanzata questo misuratore aveva due pendoli, con una bobina su entrambi i pendoli collegata alla tensione. Sotto i pendoli c’erano due bobine di corrente che si avvolgevano in direzioni opposte. Uno dei pendoli quindi funzionava più lentamente e l’altro più velocemente che senza carico.

La differenza tra i tempi di oscillazione ha guidato il meccanismo di conteggio. Il ruolo dei due pendoli veniva scambiato ogni minuto, in modo che la differenza iniziale tra i tempi di oscillazione dei pendoli potesse essere compensata. Allo stesso tempo, l’orologio era finito.

Questi contatori erano costosi perché contenevano due orologi e furono gradualmente sostituiti da contatori a motore. Pendolo metri misurato ampere-ore o watthours, ma potrebbe essere utilizzato solo per corrente continua.

Metri motore

Un’altra possibilità era quella di utilizzare un motore per costruire un metro. In tali contatori, la coppia motrice è proporzionale al carico ed è bilanciata da una coppia frenante, in modo che la velocità del rotore sia proporzionale al carico quando le coppie sono in equilibrio.

L’americano Elihu Thomson (1853 – 1937) sviluppò il suo “wattmetro di registrazione” nel 1889 per la General Electric. Era un motore senza ferro, con il rotore eccitato dalla tensione attraverso una bobina e un resistore, usando un commutatore.

Lo statore era eccitato dalla corrente e la coppia motrice era quindi proporzionale al prodotto di tensione e corrente. La coppia frenante era fornita da un magnete permanente che agiva su un disco di alluminio, fissato al rotore. Questo strumento è stato utilizzato principalmente per DC. Il grande svantaggio dei misuratori del motore era il commutatore.

Trasformatori inventato

Nei primi anni della distribuzione di energia elettrica, non era ancora chiaro se i sistemi a corrente continua o sistemi a corrente alternata sarebbero stati più vantaggiosi.

Tuttavia, un importante svantaggio dei sistemi a corrente continua divenne presto evidente: la tensione non poteva essere cambiata e quindi non era possibile costruire sistemi più grandi. Nel 1884, il francese Lucian Gaulard (1850-1888) e l’inglese John Dixon Gibbs inventarono il “generatore secondario”, il precursore del moderno trasformatore.

Un trasformatore pratico è stato sviluppato e brevettato per Ganz nel 1885 da tre ingegneri ungheresi-Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy e Miksa Déri. Nello stesso anno, Westinghouse acquistò il brevetto di Gaulard e Gibson, e William Stanley (1858-1916) perfezionò il design. George Westinghouse (1846-1914) acquistò anche i brevetti AC di Nikola Tesla.

Con questo, il sistema elettrico a corrente alternata divenne fattibile e dall’inizio del 20 ° secolo gradualmente prese il posto dei sistemi a corrente continua. Nella misurazione, un nuovo problema doveva essere risolto: la misurazione dell’energia elettrica CA.

Misuratori a induzione

Nel 1885, l’italiano Galileo Ferraris (1847 – 1897) fece la scoperta chiave che due campi AC fuori fase potevano far ruotare un’armatura solida come un disco o un cilindro. Indipendentemente il croato-americano Nikola Tesla (1857-1943) scoprì anche il campo elettrico rotante nel 1888. Shallenberger ha anche – per caso-scoperto l’effetto dei campi rotanti nel 1888, e ha sviluppato un AC ampere-hour meter.

La coppia frenante era fornita da una ventola. Questo misuratore non aveva alcun elemento di tensione per tenere conto del fattore di potenza; quindi non era adatto per l’uso con motori. Queste scoperte furono la base dei motori asincroni e aprirono la strada ai contatori a induzione. Nel 1889, l’ungherese Otto Titusz Bláthy (1860-1939), lavorando per la Ganz works di Budapest, in Ungheria, brevettò il suo “Contatore elettrico per correnti alternate” (Germania n.52.793, USA n. 423.210).

Come descritto nel brevetto: “Questo misuratore, essenzialmente, è costituito da un corpo rotante metallico, come un disco o un cilindro, che viene azionato da due campi magnetici spostati in fase l’uno dall’altro.

Il suddetto sfasamento delle fasi deriva dal fatto che un campo è prodotto dalla corrente principale, mentre l’altro campo è eccitato da una bobina di grande autoinduzione deviata da quei punti del circuito tra i quali si misura l’energia consumata.

I campi magnetici, tuttavia, non si incrociano all’interno del solido di rivoluzione, come nella ben nota disposizione di Ferraris, ma attraversano diverse parti dello stesso, indipendenti l’una dall’altra.”

Con questa disposizione, Bláthy è riuscito a ottenere uno sfasamento interno di quasi esattamente 90°, quindi il misuratore ha visualizzato watthours più o meno correttamente. Il misuratore utilizzava un magnete del freno per garantire un ampio campo di misura ed era dotato di un registro ciclometrico. Ganz ha iniziato la produzione nello stesso anno. I primi metri erano montati su una base di legno, funzionanti a 240 giri al minuto e pesavano 23 kg. Nel 1914, il peso fu ridotto a 2,6 kg.

Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) ha sviluppato un tipo di induzione watthour meter per Westinghouse nel 1894. Aveva le bobine di corrente e tensione situate sui lati opposti del disco e due magneti permanenti che smorzavano lo stesso disco. Era anche grande e pesante, del peso di 41 libbre. Aveva un registro a tamburo.

Ludwig Gutmann, lavorando per Sangamo, ha sviluppato il” Tipo A ” AC watthour metro nel 1899. Il rotore era un cilindro scanalato a spirale posizionato nei campi delle bobine di tensione e corrente. Un disco rivettato sul fondo del cilindro è stato utilizzato per la frenata con un magnete permanente. Non c’era alcuna regolazione del fattore di potenza.

Contatori elettrici – ulteriori miglioramenti

Negli anni successivi sono stati raggiunti molti miglioramenti: riduzione del peso e delle dimensioni, estensione del campo di carico, compensazione delle variazioni del fattore di potenza, tensione e temperatura, eliminazione dell’attrito sostituendo i cuscinetti pivot con cuscinetti a sfera e quindi con cuscinetti a doppio taglio e cuscinetti magnetici, e migliorando la stabilità a lungo termine con migliori magneti dei freni ed eliminando l’olio dal cuscinetto e dal registro.

All’inizio del secolo, i misuratori a induzione trifase furono sviluppati utilizzando due o tre sistemi di misurazione disposti su uno, due o tre dischi.

Nuove funzioni

I misuratori a induzione, noti anche come misuratori Ferraris e basati sui principi del misuratore Bláthy, sono ancora fabbricati in grandi quantità e sono i cavalli di battaglia della misurazione, grazie al loro basso prezzo e all’eccellente affidabilità.

Man mano che l’uso dell’elettricità si diffondeva, il concetto del contatore multi-tariffa con interruttori locali o telecomandati, il contatore della domanda massima, il contatore del pagamento anticipato e il maxigrafo nacquero rapidamente, il tutto alla fine del secolo.

Il primo sistema di controllo dell’ondulazione fu brevettato nel 1899 dal francese César René Loubery, e perfezionato da Compagnie des Compteurs (poi Schlumberger), Siemens, AEG, Landis& Gyr, Zellweger e Sauter e Brown Boveri, solo per citarne alcuni. Nel 1934, Landis & Gyr sviluppò il Trivector meter, misurando l’energia attiva e reattiva e la domanda apparente.

Contatori elettronici e di misurazione a distanza

Il grande periodo di lo sviluppo iniziale di metri era finita. Come diceva Bláthy, continuando la sua metafora: “Ora cammini per giorni interi senza nemmeno trovare un cespuglio”.

Le tecnologie elettroniche non hanno trovato il loro modo di misurare fino a quando i primi circuiti integrati analogici e digitali non sono diventati disponibili negli anni ‘ 70. Questo può essere facilmente compreso se si pensa ai limiti di consumo energetico nelle scatole dei contatori chiusi e all’affidabilità prevista.

La nuova tecnologia ha dato un nuovo impulso allo sviluppo dei contatori elettrici. Inizialmente, sono stati sviluppati misuratori statici ad alta precisione, utilizzando principalmente il principio di moltiplicazione timedivision. Sono state utilizzate anche celle Hall, principalmente per contatori commerciali e residenziali. I contatori ibridi costituiti da contatori a induzione e unità tariffarie elettroniche sono stati costruiti negli anni ‘ 80. Questa tecnologia ha avuto un periodo relativamente breve.

Misurazione remota

L’idea della misurazione remota è nata negli anni ‘ 60. Inizialmente, è stata utilizzata la trasmissione a impulsi remoti, ma questo è stato gradualmente sostituito utilizzando vari protocolli e mezzi di comunicazione.

Oggi i contatori con funzionalità complesse si basano sulla più recente tecnologia elettronica, utilizzando l’elaborazione del segnale digitale, con la maggior parte delle funzioni implementate nel firmware.

Standard e precisione di misurazione

La necessità di una stretta cooperazione tra produttori e utility è stata raggiunta relativamente presto. Il primo standard di misurazione, il codice ANSI C12 per la misurazione dell’elettricità, è stato sviluppato già nel 1910. La sua prefazione dice:”Mentre il Codice è naturalmente basato su principi scientifici e tecnici, il lato commerciale della misurazione è stato costantemente tenuto presente come di grande importanza”.

Il primo standard di misurazione IEC noto, la pubblicazione 43, risale al 1931. L’elevato standard di precisione è una caratteristica eccezionale che è stata stabilita e mantenuta dalla professione di misurazione. Volantini fin dal 1914 dispongono di metri con una precisione di 1.5% oltre il campo di misura del 10% o meno al 100% della corrente massima. IEC 43: 1931 specifica la classe di precisione 2.0. Questa precisione è ancora oggi considerata adeguata per la maggior parte delle applicazioni residenziali, anche per i contatori statici.

Contatori elettrici-il futuro

Concentrandosi sugli aspetti aziendali della misurazione e basandosi sugli ultimi risultati tecnologici, queste sono le chiavi per un continuo successo nella storia della misurazione.

Ringraziamenti