Киловатт-часовой на посту
После появления во второй половине XIX века основных элементов энергосистем (электрогенератор, линия электопередачи, электродвигатель...) выяснилось, что электроэнергия - это товар особого вида, потребление которого нужно точно учитывать.
Поначалу просто считали количество ламп и измеряли время, в течение которого энергия подавалась потребителю. В 1872 году американец Самюэль Гардинер запатентовал устройство, автоматически отсчитывающее время работы ламп. Для его правильного применения все лампы у потребителя должны были быть одновременно включены или выключены, что, конечно, нерационально и неудобно. Поэтому учёные и инженеры продолжали поиск.
Электролитическое осаждение
В 1881 году знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон запатентовал электролитический прибор учёта электроэнергии. В нём использовалась электролитическая ячейка (склянка) с медным купоросом и медными пластинками. Ток, проходящий через электролит, вызывал растворение металла на одном электроде и осаждение на другом. Количество потреблённой энергии определяли по изменению веса пластинок. Поскольку скорость осаждения металла сильно зависит от температуры раствора, счётчик содержал систему подогрева на основе лампы накаливания, которая автоматически включалась на холоде.
Считывать показания счётчика, разбирая ячейку и измеряя массу пластинок с помощью аптекарских весов, было сложно даже энергетическим компаниям, не говоря уж о потребителях. Позднее Эдисон добавил механизм для упрощения измерений. Пластинки были подвешены на концах коромысла весов, так что извлекать их из склянки не требовалось.
Знаменитый изобретатель считал, что электричество нужно продавать как газ, широко используемый в то время для освещения, поэтому счётчик был калиброван в кубических футах газа. Этот приём ускорил замену газовых светильников на электрические.
Англо-американский инженер Элиху Томсон вскоре резработал электрохимический счётчик с сульфат-цинковым электролитом, который работал гораздо лучше эдисоновского. Примечательно, что компании Эдисона моментально переключились на новый счётчик.
В те годы были созданы и другие электролитические измерительные приборы, такие как водородный счётчик немецкой компании Siemens Shuckert и ртутный Йенского стекольного завода Schott&Gen. Все подобные устройства измеряли только ампер-часы и потому допускали большие погрешности при колебаниях напряжения в электросети. Кроме того, для учёта потребления на переменном токе электролитические приборы были совершенно непригодны.
Эффект маятника
Поскольку киловатт-часы как единицы измерения энергии включают время, электрический счётчик можно построить на основе часового механизма. Принцип работы электросчётчика маятникового типа был описан английскими учёными Уильямом Айртоном и Джоном Перри в том же 1881 году, когда Эдисон запатентовал свой электролитический измерительный прибор. Ничего не зная об их исследованиях, немецкий изобретатель Герман Арон в 1884-м сконструировал Pendelzähler - маятниковый счётчик, который впоследствии получил довольно широкое распространение.
Первые модели маятникового электросчётчика оснащались двумя часовыми механизмами. Под металлическим маятником одного часового механизма был размещён электромагнит, включённый в разрыв питаемой электрической линии. При прохождении тока через катушку электромагнита этот маятник колебался быстрее, чем второй, образцовый маятник.
Для сравнения скоростей хода часов применялась планетарная передача, которая приводила в действие отсчётный механизм с пятью циферблатами. Электросчётчики, содержащие два часовых механизма, дорого стоили, а часовые пружины нужно было периодически заводить.
В поздних моделях под обоими маятниками были установлены электромагниты, катушки которых подключены к линии в противоположной полярности. При протекании тока один часовой механизм ускорялся, а второй замедлялся. Здесь была применена система электрического завода часовых пружин. Счётчики Арона позволяли измерять как ватт-часы, так и ампер-часы, но подходили только для сетей постоянного тока.
Электропривод
Электрический мотор уже был изобретён, так что инженерная мысль работала над тем, как с его помощью измерять потреблённое электричество. В 1889 году уже упомянутый Элиху Томсон для компании General Electric разработал «самопишущий ваттметр» на основе коллекторного электродвигателя.
Электрический ток нагрузки, протекавший через статорные обмотки с малым числом витков, создавал в статоре магнитное поле. С ним взаимодействовало магнитное поле ротора. Для его создания сетевое напряжение через коллекторные щётки и резистор подавалось на многовитковые обмотки якоря, изготовленные из тонкой проволоки. Вся система была устроена так, что вращающий момент двигателя был пропорционален произведению тока и напряжения в нагрузке, то есть потребляемой ею мощности. Из конструкции двигателя были исключены магнитопроводы во избежание их насыщения, чреватого искажением показаний.
Для торможения электродвигателя применён электродинамический тормоз, который у Томсона состоял из металлического диска и постоянных магнитов. На валу двигателя имелась червячная передача, передававшая его вращение на счётный механизм с несколькими циферблатами.
Самое слабое место конструкции Томсона - щёточный коллектор, который истирался, искрил и подтормаживал, забирая часть энергии. Тем не менее конструкция в целом оказалась удачной, так что на её основе впоследствии даже были созданы образцовые приборы для поверки счётчиков.
Термодинамика
Томсон в 1888 году создал оригинальный спиртовой счётчик с качающимся коромыслом. В нём резистивный элемент нагревал прикреплённую к одному концу коромысла бутылочку со спиртом. Спирт испарялся, проходил через трубку и осаждался изнутри на холодных стенках второй бутылочки, расположенной на другом конце коромысла. Накопив достаточно жидкости, она перевешивала, опрокидывая коромысло на другую сторону, и сама попадала на нагревательный элемент. После этого процесс повторялся. При каждом качательном движении коромысло через храповик проворачивало на определённый угол вал, соединённый с отсчётным механизмом. Как видите, конструкция весьма оригинальная, но не слишком надёжная. Кроме того, точность прибора зависела от текущей температуры воздуха. Зато спиртовой измеритель хорошо справлялся с переменным током.
Об истории изобретения индукционного счётчика, который сменил все описанные конструкции после широкого внедрения сетей переменного тока, «Энерговектор» рассказывал читателям в мае 2017 года.
Читайте другие наши материалы
