“de grote uitvinding van de negentiende eeuw was de methode van uitvinding”. Deze stelregel van de Engelse wiskundige en filosoof Alfred North Whitehead (1891-1947) is perfect van toepassing op de geschiedenis van de elektriciteitsmeter, geperfectioneerd door een reeks uitvindingen die voortbouwen op prestaties en verdere ontwikkeling stimuleren.De eerste helft van de 19e eeuw bracht briljante ontdekkingen in het elektromagnetisme. In 1820 ontdekte de Franse André-Marie Ampère (1775-1836) de elektrodynamische interactie tussen stromingen. In 1827 ontdekte de Duitser Georg Simon Ohm (1787-1854) de relatie tussen spanning en stroom in een geleider. In 1831 ontdekte de Britse Michael Faraday (1791-1867) de wet van inductie, waarop de werking van generatoren, motoren en transformatoren is gebaseerd.
tegen de tweede helft van de eeuw was de bodem goed voorbereid op praktische toepassingen.
ontdekkingen werden gevolgd door uitvindingen en octrooien. De lamp, de dynamo, de motor, de transformator, de meter en de turbine werden snel na elkaar uitgevonden. Het is niet verwonderlijk dat als de tijd rijp is, mijlpaal uitvindingen worden quasi-gelijktijdig bereikt in verschillende delen van de wereld.De Hongaarse Ottó Titusz Bláthy, uitvinder van de inductieelektriciteitsmeter en mede-uitvinder van de transformator, keek in 1930 terug op deze opwindende periode met de volgende woorden: “In mijn dagen was het vroeger gemakkelijk. Wetenschap was als een tropisch bos. Alles wat je nodig had was een goede bijl, en waar je ook aait, je kon een enorme boom omhakken.Met de uitvinding van de dynamo (Anyos Jedlik in 1861, Werner von Siemens in 1867) kon elektrische energie in grote hoeveelheden worden opgewekt. De eerste massale toepassing van elektriciteit was verlichting. Toen dit nieuwe product – elektrische energie-begon te worden verkocht, was het duidelijk dat de kosten moesten worden bepaald.
het was echter niet duidelijk wat de gefactureerde eenheden zouden moeten zijn en wat de meest geschikte meetprincipes zouden zijn.De vroegste meter was Samual Gardiner ‘ s (USA) lamphour meter gepatenteerd in 1872. Het meet de tijd waarin energie werd geleverd aan de belasting, omdat alle lampen aangesloten op deze meter werden bestuurd door een schakelaar. Het onderverdelen van verlichtingscircuits werd praktisch met de introductie van Edison ‘ s gloeilamp, en deze meter werd verouderd.
elektrolytische Meters
Thomas Alva Edison (1847-1931), die de eerste elektrische distributiesystemen voor verlichting met gelijkstroom introduceerde, was van mening dat elektriciteit moet worden verkocht net als gas – ook veel gebruikt voor verlichting op dat moment.
zijn ‘elektrische meter’, gepatenteerd in 1881 (USA patent nr. 251,545), gebruikte het elektrochemische effect van stroom.
het bevatte een elektrolytische cel waarin aan het begin van de factureringsperiode een nauwkeurig gewogen koperstrip werd geplaatst. De stroom door de elektrolyt veroorzaakte een afzetting van koper. Aan het einde van de factureringsperiode werd de koperen strip opnieuw gewogen, en het verschil vertegenwoordigde de hoeveelheid elektriciteit die was gepasseerd. De meter werd gekalibreerd zodat de biljetten in kubieke voet gas konden worden gemaakt.
deze meters bleven in gebruik tot het einde van de 19e eeuw. Er was echter een groot nadeel – meterlezing was moeilijk voor het nut en onmogelijk voor de klant. Edison voegde later een telmechanisme toe om de meterstand te helpen.
er waren andere elektrolytische meters, zoals de Duitse Siemens-Shuckert waterstofmeter en de Schott&Gen.Jena mercury meter. Elektrolytische meters konden alleen ampère-uren meten en waren niet geschikt wanneer de spanning fluctueerde.
Slingermeters
een ander mogelijk principe om een meter te bouwen was het creëren van enige beweging – oscillatie of rotatie – proportioneel aan de energie, die vervolgens een register kon laten lezen.Het principe van de pendulummeter werd in 1881 beschreven door de Amerikanen William Edward Ayrton en John Perry. In 1884 bouwde Hermann Aron (1845-1902) in Duitsland, zonder van hun uitvinding te weten, een slingermeter.
in zijn meer geavanceerde vorm had deze meter twee slingers, met een spoel op beide slingers aangesloten op de spanning. Onder de slingers bevonden zich twee stroomspoelen die in tegengestelde richting kronkelden. Een van de slingers liep dus langzamer en de andere sneller dan zonder belasting.
het verschil tussen de oscillatietijden dreef het telmechanisme. De rol van de twee slingers werd elke minuut verwisseld, zodat het aanvankelijke verschil tussen de oscillatietijden van de slingers kon worden gecompenseerd. Tegelijkertijd werd de klok geliquideerd.
deze meters waren duur omdat ze twee klokken bevatten en geleidelijk werden vervangen door motormeters. Slingermeters gemeten ampere-uren of watturen, maar konden alleen worden gebruikt voor gelijkstroom.
Motormeters
een andere mogelijkheid was om een motor te gebruiken om een meter te bouwen. In dergelijke meters is het aandrijfkoppel evenredig met de belasting en wordt het in evenwicht gehouden door een remkoppel, zodat het toerental van de rotor evenredig is met de belasting wanneer het koppel in evenwicht is.De Amerikaanse Elihu Thomson (1853 – 1937) ontwikkelde zijn ‘Recording wattmeter’ in 1889 voor General Electric. Het was een ijzerloze motor, waarbij de rotor door de spanning via een spoel en een weerstand werd opgewekt, met behulp van een commutator.
de stator werd opgewekt door de stroom en het aandrijfkoppel was daarom evenredig met het product van spanning en stroom. Het remkoppel werd geleverd door een permanente magneet op een aan de rotor bevestigde aluminium schijf. Deze meter werd voornamelijk gebruikt voor DC. Het grote nadeel van de motormeters was de commutator.
transformatoren uitgevonden
In de eerste jaren van de elektriciteitsdistributie was het nog niet duidelijk of gelijkstroomsystemen of wisselstroomsystemen voordeliger zouden zijn.
echter, een belangrijk nadeel van gelijkstroomsystemen werd al snel duidelijk – de spanning kon niet worden veranderd, en daarom was het niet mogelijk om grotere systemen te bouwen. In 1884 vonden de Franse Lucian Gaulard (1850-1888) en de Engelse John Dixon Gibbs de ‘secundaire generator’ uit, de voorloper van de moderne transformator.Een praktische transformator werd ontwikkeld en gepatenteerd voor Ganz in 1885 door drie Hongaarse ingenieurs – Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy en Miksa Déri. In hetzelfde jaar kocht Westinghouse het patent van Gaulard en Gibson, en William Stanley (1858-1916) perfectioneerde het ontwerp. George Westinghouse (1846-1914) kocht ook de AC patenten van Nikola Tesla.
hiermee werd het AC-elektriciteitssysteem haalbaar en vanaf het begin van de 20e eeuw werd het geleidelijk overgenomen van DC-systemen. Bij de meting moest een nieuw probleem worden opgelost: de meting van AC-elektrische energie.
Inductiemeters
in 1885 ontdekte de Italiaanse Galileo Ferraris (1847 – 1897) dat twee AC-velden uit fase een vaste anker zoals een schijf of cilinder konden laten draaien. Onafhankelijk van elkaar ontdekte ook de Kroatisch-Amerikaanse Nikola Tesla (1857 – 1943) het roterende elektrische veld in 1888. Shelenberger ontdekte ook-per ongeluk-het effect van roterende velden in 1888, en ontwikkelde een AC ampère-uurmeter.
het remkoppel werd geleverd door een ventilator. Deze meter had geen spanningselement om rekening te houden met de vermogensfactor; daarom was hij niet geschikt voor gebruik met motoren. Deze ontdekkingen waren de basis van inductiemotoren, en opende de weg naar inductiemeters. In 1889 patenteerde de Hongaar Otto Titusz Bláthy (1860-1939), werkzaam voor de Ganz works in Boedapest, Hongarije, zijn ‘elektrische meter voor wisselstromen’ (Duitsland nr. 52.793, VS nr. 423.210).
zoals het octrooi beschrijft: “Deze meter, in wezen, bestaat uit een metalen roterende lichaam, zoals een schijf of cilinder, die wordt in werking gesteld door twee magnetische velden verplaatst in fase van elkaar.
de genoemde faseverplaatsing van fasen is het gevolg van het feit dat een veld wordt geproduceerd door de hoofdstroom, terwijl het andere veld wordt opgewekt door een spoel met grote zelfinductie, afgescheiden van de punten van het circuit waartussen de verbruikte energie moet worden gemeten.
de magnetische velden kruisen elkaar echter niet binnen de solid of revolution, zoals in de bekende opstelling van Ferrari ‘ s, maar gaan door verschillende delen van dezelfde, onafhankelijk van elkaar.”
met deze opstelling slaagde Bláthy erin een interne faseverschuiving van bijna precies 90° te bereiken, zodat de meter min of meer correct wattuur weergeeft. De meter gebruikte een remmagneet om een breed meetbereik te garanderen en was uitgerust met een cyclometrisch register. Ganz begon in hetzelfde jaar met de productie. De eerste meters werden gemonteerd op een houten voet, met 240 omwentelingen per minuut, en woog 23 kg. In 1914 werd het gewicht teruggebracht tot 2,6 kg.
Oliver Blackburn Shelenberger (1860-1898) ontwikkelde in 1894 een inductie watthourmeter voor Westinghouse. Het had de stroom-en spanningsspoelen aan weerszijden van de schijf, en twee permanente magneten demping dezelfde schijf. Het was ook groot en zwaar, met een gewicht van 41 Pond. Het had een drum-type register.Ludwig Gutmann, die voor Sangamo werkte, ontwikkelde de AC wattuurmeter type A in 1899. De rotor was een spiraalvormige cilinder geplaatst in de velden van de spanning en stroom spoelen. Een aan de onderkant van de cilinder geklonken schijf werd gebruikt voor het remmen met een permanente magneet. Er was geen aanpassing van de arbeidsfactor.
elektriciteitsmeters-verdere verbeteringen
In de volgende jaren werden veel verbeteringen bereikt: vermindering van gewicht en afmetingen, uitbreiding van het belastingsbereik, compensatie van veranderingen in de vermogensfactor, spanning en temperatuur, eliminatie van wrijving door het vervangen van draailagers door kogellagers en vervolgens door dubbeljuwellagers en magnetische lagers, en verbetering van de stabiliteit op lange termijn door betere remmagneten en het elimineren van olie uit het lager en het register.Rond de eeuwwisseling werden driefasige inductiemeters ontwikkeld met behulp van twee of drie meetsystemen op één, twee of drie schijven.
nieuwe functies
Inductiemeters, ook bekend als Ferraris meters en gebaseerd op de principes van de Bláthy meter, worden nog steeds in grote hoeveelheden geproduceerd en zijn de werkpaarden van het meten, dankzij hun lage prijs en uitstekende betrouwbaarheid.
naarmate het gebruik van elektriciteit zich verspreidde, werden het concept van de multi-tariefmeter met lokale of op afstand bestuurde schakelaars, de maximumvraagmeter, de vooruitbetalingsmeter en de maxigraaf snel geboren, allemaal tegen het begin van de eeuw.Het eerste ripple control system werd in 1899 gepatenteerd door de Franse César René Loubery, en werd geperfectioneerd door Compagnie des Compteurs (later Schlumberger), Siemens, AEG, Landis&Gyr, Zellweger en Sauter en Brown Boveri, om er maar een paar te noemen. In 1934 ontwikkelde Landis&Gyr de Trivectormeter, die actieve en reactieve energie en de schijnbare vraag meet.
elektronische meters en meting op afstand
de grote periode van de eerste ontwikkeling van meters was voorbij. Zoals Bláthy het uitdrukte, vervolgend zijn metafoor: “nu loop je hele dagen zonder zelfs maar een struik te vinden”.
elektronische technologieën vonden pas hun weg naar de meting toen in de jaren zeventig de eerste analoge en digitale geïntegreerde schakelingen beschikbaar kwamen. dit is gemakkelijk te begrijpen als men denkt aan de beperkingen van het energieverbruik in de gesloten meterboxen en de verwachte betrouwbaarheid.
de nieuwe technologie heeft een nieuwe impuls gegeven aan de ontwikkeling van elektriciteitsmeters. In eerste instantie werden hoge precisie statische meters ontwikkeld, voornamelijk met behulp van het timedivision vermenigvuldigingsprincipe. Ook werden halcellen gebruikt, voornamelijk voor commerciële en residentiële meters. In de jaren tachtig werden hybride meters, bestaande uit inductiemeters en elektronische tariefeenheden, gebouwd.
Remote metering
het idee van remote metering ontstond in de jaren 1960. Aanvankelijk werd pulstransmissie op afstand gebruikt, maar dit is geleidelijk vervangen door het gebruik van verschillende protocollen en communicatiemiddelen.
tegenwoordig zijn meters met complexe functionaliteit gebaseerd op de nieuwste elektronische technologie, waarbij gebruik wordt gemaakt van digitale signaalverwerking, waarbij de meeste functies worden geïmplementeerd in firmware.
normen en meetnauwkeurigheid
de behoefte aan nauwe samenwerking tussen fabrikanten en nutsbedrijven werd relatief vroeg bereikt. De eerste meterstandaard, de ANSI C12 Code for electricity metering, werd al in 1910 ontwikkeld. Het voorwoord zegt: “Hoewel de Code natuurlijk is gebaseerd op wetenschappelijke en technische principes, is de commerciële kant van de meting voortdurend in gedachten gehouden als van zeer groot belang”.
de eerste bekende IEC-meterstandaard, publicatie 43, dateert uit 1931. De hoge standaard van nauwkeurigheid is een uitstekend kenmerk dat werd vastgesteld en gehandhaafd door het meterberoep. Folders uit 1914 bevatten meters met een nauwkeurigheid van 1.5% over het meetbereik van 10% of minder tot 100% van de maximale stroom. IEC 43: 1931 specificeert nauwkeurigheidsklasse 2.0. Deze nauwkeurigheid wordt vandaag de dag nog steeds als voldoende beschouwd voor de meeste residentiële toepassingen, zelfs voor statische meters.
elektriciteitsmeters-de toekomst
gericht op de zakelijke aspecten van de meting, en voortbouwend op de laatste technologische resultaten – zijn de sleutels voor blijvend succes in de geschiedenis van de meting.