Povijest mjerača električne energije
19. i 20. stoljeće pokazalo se neobično izdašnim u znanstvenim otkrićima, posebice na području elektromagnetizma. "Niski start" znanstveno-tehničkog napretka za sljedećih 150 godina dat je 1920-ih godina. otkriće međudjelovanja električnih struja Andre Marie Amperea… Georg Simon Ohm doselio se nakon njega 1827 odnos između struje i napona u žicama… Konačno, 1831. Michael Faraday je otkrio zakon elektromagnetske indukcije, koji su u osnovi principa rada sljedećih ključnih izuma — generatora, transformatora, elektromotora.
Električna energija postala je roba, kao što je poznato, zahvaljujući dinamu, koji su neovisno izumili mađarski fizičar Anzós Jedlik i njemački električni izumitelj Werner von Siemens 1861. i 1867. godine. Od tada je proizvodnja električne energije čvrsto uspostavljena na komercijalnom putu.
Mora se reći da su u to vrijeme izumi i otkrića „čekali“ na svakom koraku.Ideje električne lampe, dinama, elektromotora, transformatora iskristalizirale su se kao same od sebe na suprotnim stranama planeta.
Nešto slično dogodilo se i s brojačem, čega se kasnije prisjetio "autor" indukcijskog brojača (a ujedno i suizumitelj transformator) Mađarski inženjer elektrotehnike Otto Titus Blaty: „Znanost je bila poput prašume. Trebala mu je samo dobra sjekira i gdje god udariš mogao si posjeći ogromno drvo. «
Prvi patent za električno brojilo izdan je 1872. godine američkom izumitelju Samuelu Gardineru. Njegov uređaj mjeri vrijeme potrebno da električna energija dođe do mjesta punjenja. Jedini uvjet (ovo je također nedostatak uređaja) je da sve kontrolirane svjetiljke moraju biti spojene na jedan prekidač.
Stvaranje novih principa rada mjerača električne energije izravno je povezano s poboljšanjem i optimizacijom sustava distribucije električne energije. Ali budući da se u to vrijeme ovaj sustav još uvijek formirao, bilo je nemoguće sa sigurnošću reći koji bi princip bio optimalan. Stoga je u praksi istodobno testirano nekoliko alternativnih verzija.
Koliko kilovat teži?
Na primjer, ako je dinamo omogućio proizvodnju električne energije u značajnim količinama, tada je žarulja Thomasa Edisona pridonijela stvaranju opsežne rasvjetne mreže. Kao rezultat toga, Gardinerov brojač izgubio je na važnosti i zamijenjen je elektrolitičkim brojačem.
U najranijoj fazi raširene uporabe brojila električne energije električna energija je doslovno bila "vagana". Elektrolitski mjerač, koji je izumio isti Thomas Alva Edison, radi na ovom principu.U stvari, brojač je bio elektrolitički, gdje je vrlo precizno izvagana (koliko je to bilo moguće u to vrijeme) bakrena ploča postavljena na početku perioda brojanja.
Kao rezultat prolaska struje kroz elektrolit dolazi do taloženja bakra. Na kraju izvještajnog razdoblja ploča je ponovno izvagana i obračunata je potrošnja električne energije na temelju razlike u težini. Ovo je načelo prvi put primijenjeno 1881. godine i uspješno se koristilo do kraja 19. stoljeća.
Važno je napomenuti da se ova naknada obračunava u kubnim stopama plina koji je korišten za proizvodnju potrošene električne energije. Tako je kalibriran Edisonov elektrolizator.Tada je Edison zbog praktičnosti opremio svoj uređaj mehanizmom za brojanje - inače se očitavanje s mjernog uređaja činilo kao proces izuzetno težak za elektroprivrede, a potpuno nemoguć za potrošača. Međutim, praktičnost je malo toga dodala.
Osim toga, elektrolitska brojila (u to vrijeme Siemens Shuckert proizvodi vodomjer, a Schott & Gen živin mjerač) imala su još jedan značajan zajednički nedostatak. Mogu samo bilježiti amper-sate i ostaju neosjetljivi na fluktuacije napona.
Paralelno s elektrolitičkim brojačem pojavio se brojač njihala. Po prvi put, princip njegovog djelovanja opisali su Amerikanci William Edward Ayrton i John Perry iste godine 1881. Ali od tada, kao što je već spomenuto, ideje su lebdjele u zraku, ne čudi da su tri godine kasnije potpuno isti brojač napravio je u Njemačkoj Hermann Aron.
U poboljšanom obliku, mjerač je opremljen s dva njihala sa zavojnicama spojenim na izvor struje. Ispod njihala postavljene su još dvije zavojnice sa suprotnim namotima.Njihalo se, kao rezultat međudjelovanja zavojnica pod električnim opterećenjem, gibalo brže nego bez njega.
Drugi se, pak, kretao sporije. Pritom su njihala svake minute mijenjala svoje funkcije kako bi kompenzirala razliku u početnoj frekvenciji titranja. Razlika u putovanju je uračunata u mehanizam za brojanje. Pri uključivanju, sat je pokrenut.
Vjetar promjene
Brojači njihala nisu bili jeftini "užitak" jer su sadržavali dva cijela sata. Istovremeno su omogućili fiksiranje amper-sati ili vat-sati, što ih je učinilo neprikladnima za AC rad.
Revolucionarno otkriće na svoj način naizmjenična struja, koje su (naravno, neovisno jedan o drugome) izradili Talijan Galileo Ferraris (1885.) i Nikola Tesla (1888.), poslužile su kao poticaj za sljedeću fazu u usavršavanju mjernih uređaja.
Godine 1889. razvijen je motorni brojač. Dizajnirao ga je za General Electric američki inženjer Elihu Thomson.
Uređaj je bio armaturni motor bez metalne jezgre. Napon preko kolektora raspoređuje se preko zavojnice i otpornika. Struja pokreće stator, što rezultira okretnim momentom proporcionalnim umnošku napona i struje. Trajni elektromagnet koji djeluje na aluminijski disk pričvršćen na armaturu osigurava moment kočenja. Najznačajniji nedostatak mjerača električne energije je kolektor.
Kao što znate, u to vrijeme u znanstvenoj zajednici nije postojao konsenzus o tome koji od sustava— na temelju istosmjerne ili izmjenične struje — najviše će obećavati… Mjerilo koje je opisao Thomson prvenstveno je dizajnirano za istosmjernu struju.
U međuvremenu, argumenti u korist izmjenične struje rastu, jer korištenje istosmjerne struje ne dopušta promjene napona i, kao rezultat, stvaranje većih sustava. Izmjenična struja nalazila je sve širu primjenu, a početkom 20. stoljeća sustavi izmjenične struje počeli su postupno zamjenjivati istosmjernu struju u elektrotehničkoj praksi.
To je Georgeu Westinghouseu (koji je kupio Tesline patente za korištenje izmjenične struje) postavilo zadatak obračunavanja električne energije i to je obračunavanje moralo biti što točnije. U tom razdoblju (također povezanom s izumom transformatora) patentiran je uređaj, koji je zapravo bio prototip moderno AC mjerač… Povijest također ima nekoliko “očeva izumitelja” indukcijskog brojača.
Prvi indukcijski mjerni uređaj nazvan je «Ferraris metar», iako ga on uopće nije sastavljao. Ferrarijeva zasluga je sljedeće otkriće: dva rotirajuća polja, koja nisu u fazi s izmjeničnom strujom, uzrokuju rotaciju čvrstog rotora - diska ili cilindra. Brojači na principu indukcije proizvode se i danas.
Mađarski inženjer Otto Titus Blaty, poznat i kao izumitelj transformatora, predložio je svoju verziju indukcijskog mjerača. Godine 1889. dobio je odjednom dva patenta, njemački broj 52,793 i američki broj 423,210, za izum službeno označen kao "Električni brojač izmjenične struje".
Autor je dao sljedeći opis uređaja: “Ovaj se brojač u biti sastoji od metalnog rotirajućeg tijela, kao što je disk ili cilindar, na koje djeluju dva magnetska polja koja nisu u fazi jedno s drugim.
Ovaj fazni pomak proizlazi iz činjenice da je jedno polje generirano glavnom strujom, dok je drugo polje generirano zavojnicom visoke samoinduktivnosti koja ranžira točke u krugu između kojih se mjeri potrošnja energije.
Međutim, magnetska polja se ne sijeku u tijelu vrtnje, kao u dobro poznatom Ferrarijevom mehanizmu, već prolaze kroz njegove različite dijelove neovisno jedno o drugom. » Prve radne ploče koje je proizveo Ganz, gdje je Blatti radio, bile su pričvršćene na drvenu podlogu i težile su 23 kg.
Naravno, u isto vrijeme, istu karakteristiku oba polja otkrio je još jedan pionir elektrotehnike, Oliver Blackburn Shellenberger. A 1894. godine razvio je mjerač električne energije za AC sustave. Vijčani mehanizam osigurao je okretni moment.
Međutim, ovaj mjerač nije prikladan za rad s elektromotorima, jer ne sadrži naponski element potreban za mjerenje faktor snage.
Ovaj brojač bio je nešto manji od uređaja Blati, ali i prilično glomazan i prilično težak - težio je 41 kilogram, odnosno više od 16 kg. Tek 1914. godine težina uređaja smanjena je na 2,6 kg.
Ne postoji granica savršenstvu
Stoga se može konstatirati da je početkom 20. stoljeća brojalica postala dio svakodnevne prakse. To potvrđuje i pojava prvog mjernog etalona. Izdao ga je Američki nacionalni institut za standarde (ANSI) 1910.
Karakteristično je da norma osim prepoznavanja važnosti znanstvenog značaja mjernih uređaja naglašava i važnost komercijalne komponente. Prvi poznati mjerni standard Međunarodne elektrotehničke komisije (IEC) datira iz 1931. godine.
Do početka 20. stoljeća uređaji su doživjeli niz promjena, ne uzimajući u obzir smanjenje težine i dimenzija: proširenje raspona opterećenja, kompenzacija promjena faktora opterećenja, napona i temperature, pojava kuglice. ležajeve i magnetske ležajeve (što je značajno smanjilo trenje). Poboljšane su kvalitativne karakteristike kočionih elektromagneta i uklanjanje ulja iz nosača i mehanizma za brojanje, što je produžilo životni vijek.
Istodobno su se pojavile nove vrste brojila - višetarifno brojilo, brojilo vršnog opterećenja, prepaid brojilo energije, kao i trofazna indukcijska brojila. Potonji koristi dva ili tri mjerna sustava postavljena na jedan, dva ili tri diska. Godine 1934. pojavio se mjerač aktivne i jalove energije koji je razvio Landis & Gyr.
Daljnji tijek znanstveno-tehničkog napretka, kao i razvoj tržišnih odnosa, došao je do izražaja u proizvodnji mjernih uređaja. Razvoj elektronike imao je ozbiljan utjecaj - sedamdesetih godina prošlog stoljeća, uz indukcijske mjerne uređaje, pojavili su se i elektronički mjerni uređaji. Naravno, to je uvelike proširilo funkcionalnost uređaja. Prije svega, jest automatizirani računovodstveni sustavi (ASKUE), višetarifni način rada.
Naknadno su se funkcije brojila još više proširile i izašle izvan granica samo izvještavanja o energiji i resursima, uključujući zaštitu od vidljivih prekršaja, plaćanje unaprijed, kontrolu uravnoteženja opterećenja i niz drugih funkcija.Očitavanja se čitaju s električnih mreža, telefonskih linija ili bežičnih kanala za prijenos podataka.