”den stora uppfinningen av artonhundratalet var metoden för uppfinningen”. Denna maxim från den engelska matematikern och filosofen Alfred North Whitehead (1891-1947) gäller perfekt för elmätarens historia, perfekt genom en serie uppfinningar som bygger på prestationer och stimulerar vidareutveckling.
den första halvan av 19-talet förde lysande upptäckter i elektromagnetism. År 1820 upptäckte den franska Andr Avsug-Marie amp (1775-1836) den elektrodynamiska interaktionen mellan strömmar. År 1827 upptäckte tyska Georg Simon Ohm (1787-1854) förhållandet mellan spänning och ström i en ledare. År 1831 upptäckte den brittiska Michael Faraday (1791-1867) induktionslagen, på vilken driften av generatorer, motorer och transformatorer är baserad.
vid andra hälften av seklet var jorden väl förberedd för praktiska tillämpningar.
upptäckter följdes av uppfinningar och patent. Lampan, dynamo, motorn, transformatorn, mätaren och turbinen uppfanns i snabb följd. Det är inte förvånande att när tiden är mogen uppnås milstolpeuppfinningar kvasi-samtidigt i olika delar av världen.
den ungerska Ottabi Titusz bl Ubiscarthy, uppfinnare av induktions elmätare och meduppfinnare av transformatorn, såg tillbaka 1930 till denna spännande period med dessa ord: ”i mina dagar brukade det vara lätt. Vetenskapen var som en tropisk skog. Allt du behövde var en bra yxa, och var du än strök kunde du hugga ner ett enormt träd.”
med uppfinningen av dynamo (Anyos Jedlik 1861, Werner von Siemens 1867) kunde elektrisk energi genereras i stora mängder. Den första massanvändningen av el var belysning. När denna nya produkt-elektrisk energi – började säljas var det uppenbart att kostnaden måste bestämmas.
det var emellertid inte klart vad de fakturerade enheterna skulle vara och vad som skulle vara de mest lämpliga mätprinciperna.
den tidigaste mätaren var Samual Gardiner ’ s (USA) lamphour meter patenterad 1872. Den mätte tiden under vilken energi tillfördes lasten, eftersom alla lampor anslutna till denna mätare styrdes av en omkopplare. Att dela upp belysningskretsar blev praktiskt med introduktionen av Edisons glödlampa, och denna mätare blev föråldrad.
Elektrolytmätare
Thomas Alva Edison (1847-1931), som introducerade de första elektriska distributionssystemen för belysning med likström, ansåg att el måste säljas precis som gas – används också i stor utsträckning för belysning vid den tiden.
hans ’elektriska mätare’ patenterad 1881 (USA patent nr 251,545) använde den elektrokemiska effekten av ström.
den innehöll en elektrolytisk cell, i vilken en noggrant vägd remsa koppar placerades i början av faktureringsperioden. Strömmen som passerade genom elektrolyten orsakade en avsättning av koppar. I slutet av faktureringsperioden vägdes kopparremsan igen, och skillnaden representerade den mängd el som hade passerat. Mätaren kalibrerades så att räkningarna kunde göras i kubikfot gas.
dessa mätare förblev i bruk fram till slutet av 19th century. Det fanns dock en stor nackdel – mätaravläsning var svårt för verktyget och omöjligt för kunden. Edison lade senare till en räkningsmekanism för att underlätta mätaravläsning.
det fanns andra elektrolytiska mätare, som den tyska Siemens-Shuckert vätgasmätaren och Schott& Gen.Jena mercury meter. Elektrolytmätare kunde bara mäta amperetimmar och var inte lämpliga när spänningen fluktuerade.
Pendelmätare
en annan möjlig princip för att bygga en mätare var att skapa viss rörelse – svängning eller rotation – proportionell mot energin, som sedan kunde driva ett register för att läsa.
principen för pendelmätaren beskrevs av amerikanerna William Edward Ayrton och John Perry 1881. 1884, utan att veta om deras uppfinning, konstruerade Hermann Aron (1845-1902) i Tyskland en pendelmätare.
i sin mer avancerade form hade denna mätare två pendlar, med en spole på båda pendlarna anslutna till spänningen. Under pendlarna fanns två strömspolar som lindades i motsatta riktningar. En av pendlarna körde därför långsammare och den andra snabbare än utan belastning.
skillnaden mellan svängningstiderna körde räkningsmekanismen. Rollen för de två pendlarna byttes varje minut, så att den initiala skillnaden mellan pendlarnas svängningstider kunde kompenseras. Samtidigt avvecklades klockan.
dessa mätare var dyra eftersom de innehöll två klockor, och de ersattes gradvis av motormätare. Pendelmätare uppmätta ampere-timmar eller watttimmar, men kan endast användas för likström.
motormätare
en annan möjlighet var att använda en motor för att bygga en mätare. I sådana mätare är drivmomentet proportionellt mot lasten och balanseras av ett bromsmoment, så att rotorhastigheten är proportionell mot belastningen när vridmomentet är i jämvikt.
Amerikanen Elihu Thomson (1853 – 1937) utvecklade sin ’Inspelningswattmeter’ 1889 för General Electric. Det var en järnlös motor, med rotorn upphetsad av spänningen genom en spole och ett motstånd, med hjälp av en kommutator.
statorn var upphetsad av strömmen, och drivmomentet var därför proportionellt mot produkten av spänning och ström. Bromsmomentet tillhandahölls av en permanentmagnet som verkar på en aluminiumskiva, fixerad till rotorn. Denna mätare användes huvudsakligen för DC. Den stora nackdelen med motormätarna var kommutatorn.
transformatorer uppfann
under de första åren av Eldistribution var det ännu inte klart om likströmssystem eller växelströmssystem skulle vara mer fördelaktiga.
en viktig nackdel med likströmssystem blev dock snart uppenbar – spänningen kunde inte ändras, och därför var det inte möjligt att bygga större system. 1884 uppfann franska Lucian Gaulard (1850-1888) och engelska John Dixon Gibbs ’sekundärgeneratorn’, föregångaren till den moderna transformatorn.
en praktisk transformator utvecklades och patenterades för Ganz i 1885 av tre ungerska ingenjörer – K. Samma år köpte Westinghouse patentet av Gaulard och Gibson, och William Stanley (1858-1916) perfektionerade designen. George Westinghouse (1846-1914) köpte också AC-patenten från Nikola Tesla.
med detta blev AC-elsystemet genomförbart, och från början av 20-talet tog det gradvis över från DC-system. Vid mätning måste ett nytt problem lösas-mätningen av AC-elektrisk energi.
Induktionsmätare
år 1885 gjorde italienska Galileo Ferraris (1847 – 1897) den viktigaste upptäckten att två out-of-phase AC-fält kunde göra en solid armatur som en skiva eller cylinder rotera. Oberoende upptäckte den Kroatisk-amerikanska Nikola Tesla (1857-1943) också det roterande elektriska fältet 1888. Shallenberger upptäckte också – av misstag-effekten av roterande fält 1888 och utvecklade en AC-ampere-timmätare.
bromsmomentet tillhandahölls av en fläkt. Denna mätare hade inget spänningselement för att ta hänsyn till effektfaktorn, därför var den inte lämplig för användning med motorer. Dessa upptäckter var grunden för induktionsmotorer och öppnade vägen till induktionsmätare. År 1889 patenterade ungerskan Otto Titusz bl Ubicthy (1860-1939), som arbetade för Ganz works i Budapest, Ungern, sin ’elektriska mätare för växelströmmar’ (Tyskland nr 52 793, USA nr 423 210).
som patentet beskriver: ”Denna mätare består i huvudsak av en metallisk roterande kropp, såsom en skiva eller cylinder, som påverkas av två magnetfält förskjutna i fas från varandra.
den nämnda fasförskjutningen av faser beror på det faktum, att ett fält produceras av huvudströmmen, medan det andra fältet exciteras av en spole med stor självinduktion shuntad från de punkter i kretsen mellan vilken den förbrukade energin ska mätas.
magnetfälten korsar emellertid inte varandra inom revolutionens fasta, som i Ferraris välkända arrangemang, utan passerar genom olika delar av samma, oberoende av varandra.”
med detta arrangemang lyckades bl Exceptiony uppnå en intern fasförskjutning på nästan exakt 90 kg, så mätaren visade watthours mer eller mindre korrekt. Mätaren använde en bromsmagnet för att säkerställa ett brett mätområde och var utrustad med ett cyklometriskt register. Ganz startade produktionen samma år. De första mätarna monterades på en träbas, kördes med 240 varv per minut och vägde 23 kg. Vid 1914 reducerades vikten till 2,6 kg.
Oliver Blackburn Shallenberger (1860-1898) utvecklade en induktionstyp watthour-mätare för Westinghouse 1894. Den hade ström-och spänningsspolarna på motsatta sidor av skivan och två permanenta magneter dämpade samma skiva. Det var också stort och tungt, väger 41 pund. Det hade ett trumtypsregister.
Ludwig Gutmann, som arbetade för Sangamo, utvecklade ”typ A” AC watthour-mätaren 1899. Rotorn var en spiralformad cylinder placerad i spännings-och strömspolarnas fält. En skiva nitad till botten av cylindern användes för bromsning med en permanentmagnet. Det fanns ingen effektfaktorjustering.
elmätare – ytterligare förbättringar
under de följande åren uppnåddes många förbättringar: minskning av vikt och dimensioner, förlängning av lastområdet, kompensation av förändringar av effektfaktor, spänning och temperatur, eliminering av friktion genom att ersätta svänglager med kullager och sedan med dubbla jewellager och magnetiska lager och förbättra långsiktig stabilitet genom bättre bromsmagneter och eliminera olja från lagret och registret.
vid sekelskiftet utvecklades trefasinduktionsmätare med två eller tre mätsystem anordnade på en, två eller tre skivor.
nya funktioner
Induktionsmätare, även kända som Ferraris-mätare och baserade på principerna för bl Kazakthy-mätaren, tillverkas fortfarande i stora mängder och är arbetshästar för mätning tack vare deras låga pris och utmärkta tillförlitlighet.
som användningen av elspridning föddes begreppet multi-tariffmätare med lokala eller fjärrstyrda omkopplare, den maximala efterfrågemätaren, förskottsbetalningsmätaren och maxigrafen snabbt, allt vid sekelskiftet.
det första ripple-styrsystemet patenterades 1899 av den franska C Macau Renuzil Loubery, och perfektionerades av Compagnie des Compteurs (senare Schlumberger), Siemens, AEG, Landis& Gyr, Zellweger och Sauter och Brown Boveri, för att bara nämna några. 1934 utvecklade Landis &Gyr Trivector-mätaren, mätning av aktiv och reaktiv energi och uppenbar efterfrågan.
elektroniska mätare och fjärrmätning
den stora perioden för den ursprungliga utvecklingen av mätare var över. Som bl Ubiscarthy uttryckte det och fortsatte sin metafor:”nu går du hela dagar utan att ens hitta en buske”.
Electronic technologies hittade inte vägen till mätning förrän de första analoga och digitala integrerade kretsarna blev tillgängliga på 1970-talet. detta kan lätt förstås om man tänker på strömförbrukningsbegränsningarna i de slutna mätarboxarna och den förväntade tillförlitligheten.
den nya tekniken har gett en ny drivkraft för utvecklingen av elmätare. Ursprungligen utvecklades statiska mätare med hög precision, huvudsakligen med användning av timedivision-multiplikationsprincipen. Hallceller användes också, främst för kommersiella och bostadsmätare. Hybridmätare bestående av induktionsmätare och elektroniska tariffenheter byggdes på 1980-talet. Denna teknik hade en relativt kort sikt.
fjärrmätning
tanken med fjärrmätning föddes på 1960-talet. Ursprungligen användes fjärrpulsöverföring, men detta har gradvis ersatts med hjälp av olika protokoll och kommunikationsmedier.
idag bygger mätare med komplex funktionalitet på den senaste elektroniska tekniken, med digital signalbehandling, med de flesta funktioner som implementeras i firmware.
standarder och mätnoggrannhet
behovet av nära samarbete mellan tillverkare och verktyg uppnåddes relativt tidigt. Den första mätstandarden, ANSI C12-koden för elmätning, utvecklades redan 1910. Dess förord säger:”Medan koden är naturligt baserad på vetenskapliga och tekniska principer, har den kommersiella sidan av mätningen ständigt hållits i åtanke som av mycket stor betydelse”.
den första kända IEC-mätningsstandarden, publikation 43, är från 1931. Den höga precisionsstandarden är en enastående egenskap som etablerades och upprätthölls av mätningsyrket. Broschyrer från så tidigt som 1914 har mätare med en noggrannhet på 1.5% över mätområdet på 10% eller mindre till 100% av maximal ström. IEC 43: 1931 anger noggrannhetsklass 2.0. Denna noggrannhet ses fortfarande som tillräcklig för de flesta bostadsapplikationer idag, även för statiska mätare.
elmätare-framtiden
med fokus på affärsaspekterna av mätning och bygger på de senaste resultaten inom teknik – är dessa nycklarna till fortsatt framgång i mätningens historia.