XIX–XX столетия оказались необычайно щедрыми на научные открытия, особенно из области электромагнетизма. «Низкий старт» научно-техническому прогрессу на последующие 150 лет был дан в 20-х годах XIX века открытием взаимодействия электрических токов Андре Мари Ампера. Следом за ним, в 1827 г., Георг Симон Ом установил зависимость между силой тока и напряжением в проводниках. Наконец, в 1831 г. Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, который лег в основу принципов работы последующих ключевых изобретений – генератора, трансформатора, электродвигателя.
В товар электроэнергия превратилась, как известно, благодаря динамо-машине, изобретенной независимо друг от друга венгерским физиком Аньошем Йедликом и немецким изобретателем в области электротехники Вернером фон Сименсом в 1861 и 1867 гг. соответственно. С тех пор производство электроэнергии было прочно поставлено на коммерческие рельсы.
Надо сказать, в то время изобретения и открытия «подстерегали» на каждом шагу. Идеи электролампы, динамо-машины, электродвигателя, трансформатора выкристаллизовывались словно сами собой на противоположных частях планеты.
Нечто похожее произошло и со счетчиком, о чем вспоминал впоследствии «автор» индукционного счетчика (а заодно и соизобретатель трансформатора) венгерский электротехник Отто Титус Блати: «Наука походила на тропический лес. Все, что было нужно – это хороший топор, и куда бы ты ни ударил, мог срубить огромное дерево».
Первый патент на счетчик электроэнергии был выдан в 1872 г. американскому изобретателю Самюэлю Гардинеру. Его прибор измерял время, в течение которого электроэнергия подавалась в точку нагрузки. Единственное условие (оно же – недостаток прибора) – все контролируемые лампы должны были быть подключены к одному выключателю.
Создание новых принципов работы электросчетчиков было напрямую связано с совершенствованием и оптимизацией системы распределения электроэнергии. Но поскольку в то время эта система только формировалась, то нельзя было сказать наверняка, какой именно принцип окажется оптимальным. Поэтому одновременно испытания практикой проходили сразу несколько альтернативных версий.
Сколько весит киловатт?
Например, если динамо-машина позволила производить электроэнергию в существенных объемах, то электролампа Томаса Эдисона способствовала созданию разветвленной сети освещения. В результате счетчик Гардинера утратил свою актуальность, и на смену ему пришел счетчик электролитический.
На самом раннем этапе широкого использования счетчиков электроэнергию в прямом смысле «взвешивали». На таком принципе работал электролитический счетчик, изобретенный все тем же Томасом Альвой Эдисоном. Собственно, электролитической была ячейка счетчика, куда в начале расчетного периода помещалась очень точно взвешенная (насколько это было возможно в то время) медная пластина.
В результате прохождения тока через электролит происходило осаждение меди. В конце отчетного периода пластину снова взвешивали, и, основываясь на разнице в весе, начисляли плату за потребленное электричество. Впервые такой принцип был применен в 1881 г., и им успешно пользовались до конца XIX века.
Примечательно, что плата эта исчислялась в кубических футах газа, который был израсходован на выработку потребленной электроэнергии. Так уж был калиброван электролитический счетчик Эдисона. Затем для удобства Эдисон оснастил свой прибор счетным механизмом – иначе снимать показания с прибора учета представлялось процессом крайне затруднительным для энергетических компаний и совершенно невозможным для потребителя. Удобства это, однако, прибавило мало.
Кроме того, электролитические счетчики (на тот момент Siemens Shuckert производил водородный счетчик, а Schott&Gen – ртутный) обладали еще одним существенным общим недостатком. Они могли фиксировать только ампер-часы, а к колебаниям напряжения оставались нечувствительными.
Параллельно с электролитическим счетчиком появился счетчик маятниковый. Впервые принцип его работы был описан американцами Вильямом Эдвардом Эйртоном и Джоном Пери в том же 1881 г. Но поскольку идеи тогда, как уже говорилось, витали в воздухе, то нет ничего удивительного в том, что тремя годами позже точно такой же счетчик сконструировал в Германии Германн Арон.
В усовершенствованном виде счетчик был оснащен двумя маятниками с катушками, подключенными к источнику тока. Под маятниками размещались еще две катушки с противоположными намотками. Один маятник в результате взаимодействия катушек при электрической нагрузке двигался быстрее, чем без нее.
Другой, наоборот, двигался медленнее. При этом маятники менялись функциями каждую минуту для компенсации разницы в исходной частоте колебаний. Разность хода сообщалась счетному механизму. В момент подачи электроэнергии запускались часовые механизмы.
Ветер перемен
Маятниковые счетчики были недешевым «удовольствием», поскольку содержали целых два часовых механизма. При этом они позволяли фиксировать либо ампер-часы, либо ватт-часы, что делало их непригодными для работы с переменным током.
По-своему революционное открытие переменного тока, сделанное (разумеется, независимо друг от друга) итальянцем Галилео Феррарисом (1885 г.) и Николой Теслой (1888 г.), послужило стимулом для очередного этапа совершенствования приборов учета.
В 1889 г. был разработан моторный счетчик. Его сконструировал для компании General Electric американский инженер Элиху Томсон.
Прибор представлял собой двигатель с якорем без металлического сердечника. Напряжение посредством коллектора распределялось через катушку и резистор. Ток приводил в движение статор, в результате вращающий момент был пропорционален произведению напряжения и силы тока. Постоянный электромагнит, воздействуя на алюминиевый диск, прикрепленный к якорю, обеспечивал тормозной момент. Наиболее существенным недостатком моторного счетчика был коллектор.
Как известно, в то время в научной среде не было единого мнения относительно того, какие из систем – основанные на постоянном или переменном токе – окажутся наиболее перспективными. Описанный Томсоном счетчик предназначался в основном для постоянного тока.
Между тем аргументов в пользу переменного тока становилось все больше, поскольку использование постоянного тока не позволяло менять напряжение и, как следствие, создавать более крупные системы. Переменный ток находил все более широкое применение, и в начале XX века системы переменного тока начали постепенно вытеснять постоянный ток из электротехнической практики.
Это поставило перед Джорджем Вестингхаузом (который приобрел патенты Теслы на применение переменного тока) задачу – производить учет электричества, и этот учет должен был быть максимально точным. Именно в этот период (связанный также с изобретением трансформатора) был запатентован прибор, являющийся, по сути, прообразом современного счетчика для переменного тока. «Отцов-изобретателей» индукционного счетчика история также насчитывает несколько.
Первый индукционный счетчик называют «счетчиком Феррариса», хотя собрал его вовсе не он. Заслуга же Феррариса состоит в следующем открытии. Два вращающихся поля, не совпадающих по фазе переменного тока, заставляют вращаться сплошной ротор – диск или цилиндр. Счетчики, основанные на индукционном принципе, выпускают и сегодня.
Свою версию индукционного счетчика предложил венгерский инженер Отто Титус Блати, известный также как изобретатель трансформатора. В 1889 г. он получил сразу два патента – германский за номером 52 793 и американский, № 423 210, на изобретение, официально означенное как «Электрический счетчик для переменных токов».
Автор давал такое описание прибору: «Этот счетчик по существу состоит из металлического вращающегося тела, такого, как диск или цилиндр, на который действуют два магнитных поля, сдвинутые по фазе друг относительно друга.
Это смещение фаз является результатом того, что одно поле создается главным током, в то время как другое поле образуется за счет катушки с большой самоиндукцией, шунтирующей те точки цепи, между которыми измеряется потребляемая энергия.
Однако магнитные поля не пересекаются в теле вращения, как в хорошо известном механизме Феррариса, а проходят сквозь разные его части, независимо друг от друга». Первые счетчики, выпущенные компанией Ganz, где работал Блати, закреплялись на деревянной основе и весили 23 кг.
Само собой, примерно в то же самое время такую же особенность двух полей обнаружил другой пионер электротехники – Оливер Блэкбурн Шелленбергер. А в 1894 г. он разработал прибор учета электричества для систем переменного тока. Винтовой механизм обеспечивал противодействующий момент.
Однако такой счетчик не подходил для работы с электродвигателями, поскольку в нем не был предусмотрен элемент напряжения, необходимый для учета коэффициента мощности.
Этот счетчик был чуть поменьше прибора Блати, но тоже довольно громоздким и довольно тяжелым – он весил 41 фунт, т. е. больше 16 кг. Лишь к 1914 г. вес прибора удалось снизить до 2,6 кг.
Нет предела совершенству
Таким образом, можно констатировать, что в начале XX века счетчик прочно вошел в повседневную практику. Это подтверждает и появление первого стандарта измерений. Он был выпущен Американским национальным институтом стандартов (ANSI) в 1910 г.
Характерно, что вместе с признанием важности научного значения приборов учета в стандарте подчеркивается и значение коммерческой составляющей. Первый известный стандарт измерения Международной электротехнической комиссии (МЭК) датируется 1931 годом.
Уже к началу XX века приборы претерпели ряд изменений, не считая уменьшения веса и габаритов: расширение диапазона нагрузки, компенсация изменения коэффициента нагрузки, напряжения и температуры, появление шарикоподшипников и магнитных подшипников (что существенно снизило трение). Были повышены качественные характеристики тормозных электромагнитов и удаления масла из опоры и счетного механизма, что увеличило срок эксплуатации.
Тогда же появились новые разновидности счетчиков – многотарифный счетчик, счетчик маскимальной нагрузки, счетчик предварительно оплаченной энергии, а также трехфазные индукционные счетчики. Последние использовали две или три системы измерения, установленные на одном, двух или трех дисках. В 1934 г. появился счетчик активной и реактивной энергии, разработанный компанией Landis&Gyr.
Дальнейший ход научно-технического прогресса, а также развитие рыночных отношений нашел свое выражение и в производстве счетчиков. Серьезное влияние оказало развитие электроники – в 70-х годах XX века наряду с индукционными появились электронные счетчики. Естественно, это существенно расширило функциональные возможности приборов. В первую очередь, это автоматизированные системы учета (АСКУЭ), многотарифный режим.
Впоследствии функции счетчика еще более расширились и вышли за границы только учета энергии и ресурсов. Сюда относятся защита от несанкционированного вскрытия, предоплата, управление распределением нагрузки и ряд других функций. Показания считываются по электросетям, телефонным линиям или беспроводным каналам передачи данных.