A história do medidor de energia elétrica

“A grande invenção do século xix foi o método da invenção”. Esta máxima do matemático e filósofo inglês Alfred North Whitehead (1891-1947) aplica-se perfeitamente à história do medidor de eletricidade, aperfeiçoada através de uma série de invenções baseadas em conquistas e estimulando o desenvolvimento posterior.A primeira metade do século XIX trouxe brilhantes descobertas no eletromagnetismo. Em 1820, o francês André-Marie Ampère (1775-1836) descobriu a interação eletrodinâmica entre as correntes. Em 1827, o alemão Georg Simon Ohm (1787-1854) descobriu a relação entre tensão e corrente em um condutor. Em 1831, o britânico Michael Faraday (1791-1867) descobriu a lei da indução, na qual se baseia a operação de geradores, motores e transformadores.

na segunda metade do século, o solo estava bem preparado para aplicações práticas.Descobertas foram seguidas por invenções e patentes. A lâmpada, o Dínamo, o motor, o transformador, o medidor e a turbina foram inventados em rápida sucessão. Não é de surpreender que, uma vez que o tempo esteja maduro, invenções marcantes sejam alcançadas quase simultaneamente em diferentes partes do mundo.

O Húngaro Ottó Titusz Bláthy, inventor do medidor de eletricidade por indução e co-inventor do transformador, olhou para trás em 1930 para este período emocionante com estas palavras: “nos meus dias costumava ser fácil. A ciência era como uma floresta tropical. Tudo que você precisava era de um bom Machado, e onde quer que você acariciasse, você poderia derrubar uma árvore enorme.”

com a invenção do dínamo (Anyos Jedlik em 1861, Werner von Siemens em 1867), a energia elétrica poderia ser gerada em grandes quantidades. A primeira aplicação em massa de eletricidade foi a iluminação. Quando este novo produto – energia elétrica – começou a ser vendido, era óbvio que o custo tinha que ser determinado.

não ficou claro, no entanto, o que as unidades cobradas deveriam ser e quais seriam os princípios de medição mais adequados.

o medidor mais antigo foi o medidor de lamphour de Samual Gardiner (EUA) patenteado em 1872. Mediu o tempo durante o qual a energia foi fornecida à carga, pois todas as lâmpadas conectadas a este medidor eram controladas por um interruptor. A subdivisão dos circuitos de iluminação tornou-se prática com a introdução Da Lâmpada de Edison, e este medidor tornou-se obsoleto.

Medidores eletrolíticos

Thomas Alva Edison (1847-1931), que introduziu os primeiros sistemas de distribuição elétrica para iluminação usando corrente contínua, considerou que a eletricidade deve ser vendida como gás – também usada extensivamente para iluminação na época.

seu’ medidor elétrico ‘ patenteado em 1881 (patente dos EUA nº 251.545) usou o efeito eletroquímico da corrente.

continha uma célula eletrolítica, na qual uma tira de cobre pesada com precisão foi colocada no início do período de faturamento. A corrente que passa pelo eletrólito causou uma deposição de cobre. No final do período de faturamento, a faixa de cobre foi pesada novamente, e a diferença representou a quantidade de eletricidade que havia passado. O medidor foi calibrado para que as contas pudessem ser renderizadas em pés cúbicos de gás.

esses medidores permaneceram em uso até o final do século XIX. Havia, no entanto, uma grande desvantagem – a leitura do medidor era difícil para o Utilitário e impossível para o cliente. Edison mais tarde adicionou um mecanismo de contagem para ajudar na leitura do medidor.

havia outros medidores eletrolíticos, como o medidor Alemão de hidrogênio Siemens-Shuckert e o medidor de mercúrio Schott &Gen. Jena. Os medidores eletrolíticos podiam medir apenas amperes-hora e não eram adequados quando a tensão flutuava.

Medidores de pêndulo

outro princípio possível sobre o qual construir um medidor era criar algum movimento – oscilação ou rotação – proporcional à energia, que poderia então conduzir um registro para ler.

o princípio do medidor de pêndulo foi descrito pelos americanos William Edward Ayrton e John Perry em 1881. Em 1884, sem saber de sua invenção, Hermann Aron (1845-1902) na Alemanha construiu um medidor de pêndulo.

em sua forma mais avançada, este medidor tinha dois pêndulos, com uma bobina em ambos os pêndulos conectados à tensão. Abaixo dos pêndulos havia duas bobinas de corrente enrolando em direções opostas. Um dos pêndulos, portanto, estava funcionando mais devagar e o outro mais rápido do que sem carga.

a diferença entre os tempos de oscilação impulsionou o mecanismo de contagem. O papel dos dois pêndulos foi trocado a cada minuto, de modo que a diferença inicial entre os tempos de oscilação dos pêndulos pudesse ser compensada. Ao mesmo tempo, o relógio acabou.

esses medidores eram caros porque continham dois relógios e foram gradualmente substituídos por Medidores de motor. Os medidores de pêndulo mediam ampere-horas ou watthours, mas podiam ser usados somente para a corrente contínua.

Medidores de Motor

outra possibilidade era usar um motor para construir um medidor. Nesses Medidores, o torque de acionamento é proporcional à carga e é equilibrado por um torque de frenagem, de modo que a velocidade do rotor é proporcional à carga quando os torques estão em equilíbrio.

o americano Elihu Thomson (1853 – 1937) desenvolveu seu ‘Wattímetro de gravação’ em 1889 para a General Electric. Era um motor sem ferro, com o rotor excitado pela tensão através de uma bobina e um resistor, usando um comutador.

o estator foi excitado pela corrente e, portanto, o torque de acionamento foi proporcional ao produto de tensão e corrente. O torque de frenagem foi fornecido por um ímã permanente atuando em um disco de alumínio, fixado ao rotor. Este medidor foi usado principalmente para DC. A grande desvantagem dos medidores de motor era o comutador.

transformadores inventados

nos primeiros anos de distribuição de eletricidade, ainda não estava claro se Sistemas de corrente contínua ou sistemas de corrente alternada seriam mais vantajosos.

no entanto, uma importante desvantagem dos sistemas de corrente contínua logo se tornou aparente-a tensão não pôde ser alterada e, portanto, não foi possível construir sistemas maiores. Em 1884, o francês Lucian Gaulard (1850-1888) e o Inglês John Dixon Gibbs inventaram o ‘gerador secundário’, o precursor do transformador moderno.

um transformador prático foi desenvolvido e patenteado para Ganz em 1885 por três engenheiros húngaros-Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy e Miksa Déri. No mesmo ano, Westinghouse comprou a patente de Gaulard e Gibson, e William Stanley (1858-1916) aperfeiçoou o design. George Westinghouse (1846-1914) também comprou as patentes AC de Nikola Tesla.

com isso, o sistema de eletricidade CA tornou-se viável e, a partir do início do século 20, gradualmente assumiu os sistemas CC. Na medição, um novo problema teve que ser resolvido – a medição da energia elétrica CA.

Medidores de indução

em 1885, o italiano Galileo Ferraris (1847 – 1897) fez a descoberta chave de que dois campos CA fora de fase poderiam fazer uma armadura sólida como um disco ou cilindro girar. Independentemente, o Croata-Americano Nikola Tesla (1857 – 1943) também descobriu o campo elétrico rotativo em 1888. Shallenberger também – por acidente-descobriu o efeito dos Campos rotativos em 1888 e desenvolveu um medidor de Ampere-hora AC.

o torque de frenagem foi fornecido por um ventilador. Este medidor não tinha elemento de tensão para levar em consideração o Fator de potência; portanto, não era adequado para uso com motores. Essas descobertas foram a base dos motores de indução e abriram o caminho para os medidores de indução. Em 1889, o húngaro Otto Titusz Bláthy (1860-1939), trabalhando para a Ganz works em Budapeste, Hungria, patenteou seu ‘medidor elétrico para correntes alternadas’ (Alemanha No 52.793, EUA no 423.210).

como a patente descreve: “Este medidor, essencialmente, consiste em um corpo giratório metálico, como um disco ou cilindro, que é atuado por dois campos magnéticos deslocados em fase um do outro.

O disse fase de deslocamento de fases resulta do fato de que um campo é produzido pela corrente principal, enquanto o outro campo é excitado por uma bobina de grande auto-indução desviado de pontos do circuito, entre os quais a energia consumida está a ser medido.Os campos magnéticos, no entanto, não se cruzam dentro do sólido da revolução, como no arranjo bem conhecido por Ferraris, mas passam por diferentes partes do mesmo, independentes uns dos outros.”

com este arranjo, Bláthy conseguiu atingir uma mudança de fase interna de quase exatamente 90°, de modo que o medidor exibiu watthours mais ou menos corretamente. O medidor usou um ímã de freio para garantir uma ampla faixa de medição e foi equipado com um registro ciclométrico. Ganz começou a produção no mesmo ano. Os primeiros metros foram montados em uma base de madeira, com 240 rotações por minuto, e pesavam 23 kg. Em 1914, o peso foi reduzido para 2,6 kg.

Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) desenvolveu um medidor watthour tipo indução para Westinghouse em 1894. Ele tinha as bobinas de corrente e tensão localizadas em lados opostos do disco e dois ímãs permanentes amortecendo o mesmo disco. Também era grande e pesado, pesando 41 libras. Ele tinha um registro do tipo tambor.

Ludwig Gutmann, trabalhando para Sangamo, desenvolveu o medidor de watthour AC “Tipo A” em 1899. O rotor era um cilindro com fenda em espiral posicionado nos campos das bobinas de tensão e corrente. Um disco rebitado na parte inferior do cilindro foi usado para frear com um ímã permanente. Não houve ajuste do fator de potência.

Medidores de eletricidade – melhorias adicionais

nos anos seguintes, muitas melhorias foram alcançadas: redução de peso e dimensões, extensão da faixa de carga, compensação de mudanças de fator de potência, tensão e temperatura, eliminação de fricção substituindo rolamentos de pivô por Rolamentos de esferas e, em seguida, por Rolamentos doublejewel e rolamentos magnéticos, e melhorando a estabilidade a longo prazo por melhores ímãs de freio e eliminando o óleo do rolamento e do registro.Na virada do século, os medidores de indução trifásicos foram desenvolvidos usando dois ou três sistemas de medição dispostos em um, dois ou três discos.

Novas funções

Indução metros, também conhecido como Ferraris metros e com base nos princípios da Bláthy medidor, ainda são fabricados em grandes quantidades e são os trabalhadores de medição, graças ao seu baixo preço e excelente confiabilidade.

como o uso da propagação da eletricidade, o conceito do medidor multi-tarifário com interruptores locais ou controlados remotamente, o medidor de demanda máxima, o medidor de pré-pagamento e o maxígrafo nasceram rapidamente, tudo na virada do século.

A primeira ondulação de controle do sistema foi patenteado em 1899, o francês César René Loubery, e foi aperfeiçoada pela Compagnie des Compteurs (mais tarde Schlumberger), Siemens, AEG, Landis&Gyr, Zellweger e Sauter e Brown Boveri, só para citar alguns. Em 1934, Landis & Gyr desenvolveu o medidor Trivector, medindo energia ativa e reativa e demanda aparente.

medidores eletrônicos e medição remota

o grande período do desenvolvimento inicial de medidores acabou. Como disse Bláthy, continuando sua metáfora:”agora você anda por dias inteiros sem sequer encontrar um arbusto”.

tecnologias Eletrônicas não encontrar o seu caminho para a medição até o primeiro analógicos e circuitos integrados digitais, tornou-se disponível, na década de 1970. Isso pode ser facilmente compreendido se se pensa o consumo de energia limitações no fechado caixas do medidor, e a confiabilidade esperada.

a nova tecnologia deu um novo impulso ao desenvolvimento de medidores de eletricidade. Inicialmente, foram desenvolvidos medidores estáticos de alta precisão, principalmente usando o princípio de multiplicação timedivision. Células Hall também foram usadas, principalmente para medidores comerciais e residenciais. Os medidores híbridos constituídos por Medidores de indução e unidades tarifárias eletrônicas foram construídos na década de 1980.

medição remota

a ideia de medição remota nasceu na década de 1960. Inicialmente, a transmissão remota de pulso foi usada, mas isso foi gradualmente substituído pelo uso de vários protocolos e meios de comunicação.

hoje, os medidores com funcionalidade complexa são baseados na mais recente tecnologia eletrônica, usando processamento de sinal digital, com a maioria das funções sendo implementadas no firmware.

padrões e precisão de medição

a necessidade de cooperação estreita entre fabricantes e concessionárias foi alcançada relativamente cedo. O primeiro padrão de medição, o código ANSI C12 para medição de eletricidade, foi desenvolvido já em 1910. Seu prefácio diz: “Embora o código seja naturalmente baseado em princípios científicos e técnicos, o lado comercial da medição tem sido constantemente mantido em mente como de grande importância”.

o primeiro padrão de medição IEC conhecido, publicação 43, Data de 1931. O alto padrão de precisão é uma característica marcante que foi estabelecida e mantida pela profissão de medição. Folhetos desde 1914 apresentam medidores com uma precisão de 1.5% sobre a escala de medição de 10% ou menos a 100% da corrente máxima. IEC 43: 1931 especifica a classe de precisão 2.0. Essa precisão ainda é vista como adequada para a maioria das aplicações residenciais hoje, mesmo para medidores estáticos.

medidores de Eletricidade – o futuro

Focalizando os aspectos do negócio de medição, e com base no os resultados mais recentes em tecnologia – estas são as chaves para o sucesso contínuo na história da medição.

agradecimentos