„wielkim wynalazkiem XIX wieku była metoda wynalazcza”. Ta maksyma angielskiego matematyka i filozofa Alfreda North Whiteheada (1891-1947) doskonale odnosi się do historii licznika energii elektrycznej, udoskonalonej poprzez szereg wynalazków opartych na osiągnięciach i stymulujących dalszy rozwój.
pierwsza połowa XIX wieku przyniosła błyskotliwe odkrycia w dziedzinie elektromagnetyzmu. W 1820 roku Francuz André-Marie Ampère (1775-1836) odkrył oddziaływanie elektrodynamiczne pomiędzy prądami. W 1827 roku Niemiec Georg Simon Ohm (1787-1854) odkrył zależność między napięciem a prądem w przewodniku. W 1831 roku Brytyjczyk Michael Faraday (1791-1867) odkrył prawo indukcji, na którym opiera się działanie generatorów, silników i transformatorów.
w drugiej połowie wieku gleba była dobrze przygotowana do praktycznych zastosowań.
po odkryciach następowały wynalazki i patenty. Lampa, dynamo, silnik, transformator, licznik i turbina zostały wynalezione w krótkim czasie. Nic dziwnego, że gdy nadejdzie czas, przełomowe wynalazki są osiągane quasi-jednocześnie w różnych częściach świata.
Węgierski Ottó Titusz Bláthy, wynalazca indukcyjnego licznika energii elektrycznej i współtwórca transformatora, spojrzał w 1930 roku na ten ekscytujący okres tymi słowami: „za moich czasów było to łatwe. Nauka była jak las tropikalny. Wszystko czego potrzebowałeś to dobry topór, i gdziekolwiek uderzysz, możesz ścinać ogromne drzewo.”
dzięki wynalezieniu Dynama (Anyos Jedlik w 1861, Werner von Siemens w 1867) energia elektryczna mogła być wytwarzana w dużych ilościach. Pierwszym masowym zastosowaniem energii elektrycznej było oświetlenie. Kiedy ten nowy produkt – energia elektryczna – zaczął być sprzedawany, było oczywiste, że koszt musi zostać określony.
nie było jednak jasne, jakie powinny być rozliczane jednostki i jakie byłyby najbardziej odpowiednie zasady pomiaru.
najwcześniejszym miernikiem był lamphour meter Samual Gardiner (USA) opatentowany w 1872 roku. Mierzył on czas w jakim energia była dostarczana do ładunku, ponieważ wszystkie lampy podłączone do tego miernika były sterowane jednym przełącznikiem. Podział obwodów oświetleniowych stał się praktyczny wraz z wprowadzeniem Żarówki Edisona, a Miernik ten stał się przestarzały.
Mierniki elektrolityczne
Thomas Alva Edison (1847-1931), który wprowadził pierwsze systemy dystrybucji energii elektrycznej do oświetlenia przy użyciu prądu stałego, uważał, że energia elektryczna musi być sprzedawana tak samo jak gaz – w tym czasie również szeroko stosowany do oświetlenia.
jego „miernik elektryczny” opatentowany w 1881 roku (patent USA Nr 251,545) używał elektrochemicznego efektu prądu.
zawierała ogniwo elektrolityczne, do którego na początku okresu rozliczeniowego umieszczano dokładnie zważony pasek miedzi. Prąd przechodzący przez elektrolit spowodował osadzanie się miedzi. Pod koniec okresu rozliczeniowego taśma miedziana została ponownie zważona, a różnica stanowiła ilość przepuszczonej energii elektrycznej. Licznik został skalibrowany tak, aby rachunki mogły być renderowane w metrach sześciennych gazu.
mierniki te pozostawały w użyciu do końca XIX wieku. Była jednak jedna duża wada-odczyt liczników był trudny dla użyteczności i niemożliwy dla klienta. Edison później dodał mechanizm liczenia, aby pomóc w odczycie licznika.
były inne mierniki elektrolityczne, jak niemiecki wodomierz Siemens-Shuckert i miernik rtęci Schott &Gen. Jena. Mierniki elektrolityczne mogły mierzyć tylko amperogodziny i nie były odpowiednie, gdy wahało się napięcie.
Mierniki wahadła
inną możliwą zasadą, na której można zbudować miernik, było stworzenie pewnego ruchu – oscylacji lub obrotu – proporcjonalnego do energii, który mógłby następnie napędzać rejestr do odczytu.
zasada działania wahadła została opisana przez Amerykanów Williama Edwarda Ayrtona i Johna Perry ’ ego w 1881 roku. W 1884 roku, nie znając ich wynalazku, Hermann Aron (1845-1902) w Niemczech skonstruował wahadłomierz.
w swojej bardziej zaawansowanej formie Miernik ten miał dwa wahadła, z cewką na obu wahadłach podłączoną do napięcia. Poniżej wahadła znajdowały się dwie cewki prądowe nawijane w przeciwnych kierunkach. Jedno z wahadeł działało zatem wolniej, a drugie szybciej niż bez obciążenia.
różnica czasów oscylacji napędzała mechanizm liczenia. Rola dwóch wahadeł była zamieniana co minutę, tak aby początkowa różnica między czasami oscylacji wahadeł mogła zostać skompensowana. W tym samym czasie zegar został wyłączony.
te liczniki były drogie, ponieważ zawierały dwa zegary i były stopniowo zastępowane przez liczniki silnikowe. Mierniki wahadłowe mierzyły amperogodziny lub watogodziny, ale mogły być używane tylko do prądu stałego.
liczniki silnikowe
inną możliwością było użycie silnika do budowy licznika. W takich licznikach moment napędowy jest proporcjonalny do obciążenia i jest równoważony momentem hamowania, tak że prędkość wirnika jest proporcjonalna do obciążenia, gdy moment obrotowy jest w równowadze.
Amerykański Elihu Thomson (1853-1937) opracował swój „Watomierz rejestrujący” w 1889 roku dla General Electric. Był to silnik bez żelaza, z wirnikiem wzbudzanym napięciem przez cewkę i rezystor, za pomocą komutatora.
Stojan był wzbudzony przez prąd, a zatem moment napędowy był proporcjonalny do iloczynu napięcia i prądu. Moment hamowania zapewniał magnes trwały działający na aluminiową tarczę, przymocowaną do wirnika. Miernik ten był używany głównie do DC. Dużą wadą mierników silnika był komutator.
transformatory wynaleziono
we wczesnych latach dystrybucji energii elektrycznej nie było jeszcze jasne, czy systemy prądu stałego lub systemy prądu zmiennego będą korzystniejsze.
jednak wkrótce uwidoczniła się ważna wada systemów prądu stałego – nie można było zmienić napięcia, a zatem nie można było budować większych systemów. W 1884 roku Francuz Lucian Gaulard (1850-1888) i Anglik John Dixon Gibbs wynaleźli „generator wtórny”, prekursor nowoczesnego transformatora.
praktyczny transformator został opracowany i opatentowany dla Ganz w 1885 roku przez trzech Węgierskich inżynierów – Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy i Miksa Déri. W tym samym roku Westinghouse kupił patent Gaularda i Gibsona, a William Stanley (1858-1916) udoskonalił projekt. George Westinghouse (1846-1914) również kupił patenty AC Nikoli Tesli.
dzięki temu system prądu przemiennego stał się możliwy do zrealizowania i od początku XX wieku stopniowo przejmował od systemów PRĄDU STAŁEGO. W pomiarach trzeba było rozwiązać nowy problem-pomiar energii elektrycznej prądu przemiennego.
mierniki indukcyjne
w 1885 roku włoski Galileo Ferrari (1847-1897) dokonał kluczowego odkrycia, że dwa pola prądu przemiennego poza fazą mogą sprawić, że twornik będzie się obracał jak dysk lub cylinder. Niezależnie chorwacko-Amerykański Nikola Tesla (1857-1943) odkrył również wirujące pole elektryczne w 1888 roku. Shallenberger również – przez przypadek-odkrył efekt obracania się pól w 1888 roku i opracował miernik amperogodzin AC.
moment hamowania zapewniał wentylator. Miernik ten nie miał elementu napięciowego uwzględniającego współczynnik mocy, dlatego nie nadawał się do stosowania z silnikami. Odkrycia te były podstawą silników indukcyjnych i otworzyły drogę do mierników indukcyjnych. W 1889 roku Węgierski Otto Titusz Bláthy (1860-1939), pracujący dla zakładów Ganz w Budapeszcie, opatentował swój „miernik elektryczny prądów przemiennych” (Niemcy nr 52,793, USA nr 423,210).
jak opisuje patent: „Ten miernik składa się zasadniczo z metalowego obracającego się korpusu, takiego jak dysk lub cylinder, na który działają dwa pola magnetyczne przesunięte w fazie od siebie.
wspomniane przesunięcie fazowe faz wynika z faktu, że pole jest wytwarzane przez prąd główny, podczas gdy inne pole jest wzbudzane przez cewkę o dużej samoindukcji manewrowaną z tych punktów obwodu, między którymi ma być mierzona zużyta energia.
pola magnetyczne nie przecinają się jednak w bryle obrotu, jak w dobrze znanym układzie Ferrari, ale przechodzą przez różne jej części, niezależne od siebie.”
dzięki temu układowi Bláthyowi udało się osiągnąć wewnętrzne przesunięcie fazowe prawie dokładnie o 90°, więc licznik wyświetlał mniej lub bardziej poprawnie fale. W mierniku zastosowano magnes hamulcowy zapewniający szeroki zakres pomiarowy i wyposażono go w rejestr cyklometryczny. Ganz rozpoczął produkcję w tym samym roku. Pierwsze mierniki były zamontowane na drewnianej podstawie, poruszały się z prędkością 240 obrotów na minutę i ważyły 23 kg. W 1914 roku waga została zmniejszona do 2,6 kg.
Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) opracował miernik indukcyjny typu watthour dla Westinghouse w 1894 roku. Miał on cewki prądowe i napięciowe umieszczone po przeciwnych stronach płyty, oraz dwa magnesy stałe tłumiące tę samą płytę. Był również duży i ciężki, ważył 41 Funtów. Posiadał rejestr bębnowy.
Ludwig Gutmann, pracując dla Sangamo, opracował miernik” typu A ” AC watthour w 1899 roku. Wirnik był spiralnie szczelinowym cylindrem umieszczonym w polach cewek napięciowych i prądowych. Do hamowania z magnesem trwałym użyto tarczy nitowanej do dna cylindra. Nie było regulacji współczynnika mocy.
liczniki energii elektrycznej-dalsze ulepszenia
w kolejnych latach osiągnięto wiele ulepszeń: zmniejszenie ciężaru i wymiarów, rozszerzenie zakresu obciążenia, kompensacja zmian współczynnika mocy, napięcia i temperatury, eliminacja tarcia poprzez zastąpienie łożysk obrotowych łożyskami kulkowymi, a następnie łożyskami podwójnymi i łożyskami magnetycznymi, a także poprawa długoterminowej stabilności przez lepsze magnesy hamulcowe i eliminację oleju z łożyska i rejestru.
na przełomie wieków opracowano trójfazowe mierniki indukcyjne wykorzystujące dwa lub trzy systemy pomiarowe rozmieszczone na jednym, dwóch lub trzech dyskach.
nowe funkcje
mierniki indukcyjne, znane również jako Mierniki Ferraris i oparte na zasadach miernika Bláthy, są nadal produkowane w dużych ilościach i są koniecznością pomiaru dzięki niskiej cenie i doskonałej niezawodności.
wraz z rozpowszechnieniem się energii elektrycznej, koncepcja licznika wielotaryfowego z lokalnymi lub zdalnie sterowanymi przełącznikami, licznikiem maksymalnego zapotrzebowania, licznikiem przedpłaty i maxigraphem szybko narodziła się na przełomie wieków.
pierwszy system sterowania falami został opatentowany w 1899 roku przez Francuza Césara René Loubery ’ ego i został udoskonalony przez Compagnie des Compteurs (później Schlumberger), Siemensa, AEG, Landis&Gyr, Zellwegera i Sautera oraz Browna Boveriego, by wymienić tylko kilka. W 1934 roku Landis &Gyr opracował licznik Trivector, mierzący energię czynną i bierną oraz zapotrzebowanie pozorne.
liczniki elektroniczne i zdalne pomiary
wielki okres początkowego rozwoju liczników dobiegł końca. Jak ujął to Bláthy, kontynuując swoją metaforę: „teraz chodzisz przez całe dni, nie znajdując nawet krzaka”.
technologie elektroniczne nie znalazły swojej drogi do pomiaru, dopóki pierwsze analogowe i cyfrowe układy scalone nie stały się dostępne w latach 70. XX wieku.można to łatwo zrozumieć, jeśli pomyśli się o ograniczeniach zużycia energii w zamkniętych skrzynkach licznikowych i oczekiwanej niezawodności.
nowa technologia dała nowy impuls do rozwoju liczników energii elektrycznej. Początkowo opracowano mierniki statyczne o wysokiej precyzji, głównie z wykorzystaniem zasady mnożenia w czasie. Wykorzystywano również komórki halowe, głównie do liczników komercyjnych i mieszkaniowych. Mierniki hybrydowe składające się z mierników indukcyjnych i elektronicznych jednostek taryfowych zostały skonstruowane w latach 80. XX wieku.technologia ta miała stosunkowo krótki okres eksploatacji.
zdalne pomiary
idea zdalnego pomiaru narodziła się w latach 60. Początkowo stosowano zdalną transmisję impulsów, ale stopniowo zastępowano ją różnymi protokołami i mediami komunikacyjnymi.
dziś mierniki o złożonej funkcjonalności oparte są na najnowszej technologii elektronicznej, wykorzystującej cyfrowe przetwarzanie sygnałów, przy czym większość funkcji jest zaimplementowana w firmware.
normy i dokładność pomiaru
potrzeba ścisłej współpracy między producentami i przedsiębiorstwami użyteczności publicznej została osiągnięta stosunkowo wcześnie. Pierwszy standard pomiaru, Kod ANSI C12 dla pomiaru energii elektrycznej, został opracowany już w 1910 roku. W przedmowie czytamy: „chociaż kodeks jest naturalnie oparty na zasadach naukowych i technicznych, komercyjna strona pomiaru jest stale pamiętana o bardzo dużym znaczeniu”.
pierwsza znana norma pomiarowa IEC, Publikacja 43, pochodzi z 1931 roku. Wysoki standard dokładności jest wyjątkową cechą, która została ustalona i utrzymana przez branżę pomiarową. Ulotki z 1914 roku posiadają mierniki z dokładnością do 1.5% w zakresie pomiarowym od 10% do 100% maksymalnego prądu. IEC 43: 1931 określa klasę dokładności 2.0. Ta dokładność jest nadal postrzegana jako odpowiednia dla większości zastosowań domowych, nawet dla mierników statycznych.
liczniki energii elektrycznej-przyszłość
koncentrując się na biznesowych aspektach pomiarów i opierając się na najnowszych wynikach technologicznych-są to klucze do dalszego sukcesu w historii pomiarów.