Jak działają rowerowe mierniki mocy?

Na rynku istnieje kilka różnych typów liczników energii elektrycznej i każdy z nich mierzy coś nieco innego w celu dokonania swoich szacunków. Ponadto sposób, w jaki mierzą one to, co mierzą, ma wpływ na ich dokładność. Poniżej omawiam, co mierzą główne modele, jak to mierzą i jakie są implikacje dla ich dokładności.

Moc to tempo pracy (więc musisz znać ilość pracy i czas, w którym ta praca jest wykonywana), a praca to siła wywierana na odległość, więc każdy miernik mocy ma inny sposób mierzenia tych sił i z powodu patentów, każdy wybrał pomiar w innym “miejscu”. “

Z wyjątkiem iBike'a, większość mierników mocy mierzy siły gdzieś wzdłuż układu napędowego: Pracując od tyłu do przodu, PowerTap (i stary Look MaxOne) mierzą siły na tylnej piaście, starsze systemy polarne mierzone wzdłuż łańcucha, Quarq, SRM, Rotor i Power2Max na pająku przedniego pierścienia łańcucha, nowy Look/Polar i Garmin Metrigear (do tej pory zapowiedziany, ale nie zwolniony) mierzą na wrzecionie pedału, Brim Brothers (zapowiedziany, ale nie zwolniony) mierzą na knadze buta, Ergomo na dolnym wsporniku, a Stages na lewej korbie. IBike mierzy w zupełnie inny sposób, omówiony poniżej. Jedną z konsekwencji pomiaru w różnych punktach wzdłuż układu napędowego jest to, że straty układu napędowego będą (lub nie) rozliczane w różnym stopniu; na przykład PowerTap jest zazwyczaj odczytywany niżej niż SRM, ponieważ jeden jest "pod prąd” większości strat układu napędowego, podczas gdy drugi jest “pod prąd”. Ta różnica jest bardziej kwestią definicji niż ścisłą kwestią “dokładności” (w sensie “czy dochód brutto lub dochód netto jest bardziej "dokładną” miarą dochodu?“). Jeśli nie masz na myśli konkretnego zastosowania, trudno powiedzieć, które jest bardziej "dokładne”).

Większość mierników mocy na rynku używa tensometrów, które są małymi cienkimi paskami folii, których przewodność elektryczna i opór zmieniają się w miarę odkształcania. Tensometry mają wiele zastosowań (np. mosty), a ich właściwości są dobrze znane. Ogólnie rzecz biorąc, czujniki tensometryczne są łączone w “rozetę” lub “mostek Wheatstone'a” w celu uzyskania większej dokładności i precyzji (większa liczba czujników tensometrycznych zwykle daje lepsze wyniki), a przy prawidłowej pracy Power Tap, Quarq i SRM są zazwyczaj dokładne do kilku procent (i, co równie ważne, z wysoką precyzją); zostało to zweryfikowane zarówno statycznie (przy użyciu znanych ciężarów zawieszonych na korbie), jak i dynamicznie (przy użyciu dużego napędzanego bębna obrotowego w laboratorium). Siły te są następnie łączone z pomiarem prędkości kątowej lub prędkości obrotowej w celu uzyskania mocy. Zaletą tensometrów jest to, że zmiana oporu może być mierzona nawet podczas postoju urządzenia, dzięki czemu rowerzysta może zmierzyć dokładność tensometrycznych mierników mocy w warunkach domowych poprzez zawieszenie na korbie ciężarów o znanej masie. Częstym problemem w podejściu do tensometrów jest jednak to, że mogą one być wrażliwe na zmiany temperatury i dlatego muszą być “zamrażane” przed (a czasami, podczas) jazdy. Stara pięta achillesowa Look MaxOne była wodoszczelna, a nie przyrządy tensometryczne czy metoda pomiaru. Na przykład, oryginalny Power2Max (i stary, wycofany z użytku model SRM “amatorski”) wykorzystuje mniej tensometrów niż obecne modele PowerTap, Quarq lub SRM, a raporty od użytkowników (do których później przyznał się producent) wykazały, że jest on bardziej wrażliwy na dryft temperaturowy podczas jazdy niż te inne. Power2Max został przeprojektowany i zaktualizowany pod koniec 2012 roku, a według doniesień problem temperatury został w dużej mierze rozwiązany. Od początku 2013 roku to twierdzenie jest nadal oceniane przez użytkowników i jest jeszcze zbyt wcześnie, aby wiedzieć, czy ich podejście robi to, co twierdzi.

Stary polarny miernik mocy mierzył siłę przenoszoną wzdłuż łańcucha przez napięcie łańcucha i zawierał czujnik prędkości łańcucha, aby uzyskać całkowitą pracę. W łańcuchu większa siła przekazywana wzdłuż łańcucha powoduje większe napięcie, a napięcie można zmierzyć za pomocą częstotliwości rezonansowej obiektu (na przykład, skubanie paznokciem szprychy o wysokim napięciu daje wysoką częstotliwość, podczas gdy skubanie luźnej szprychy daje niski ton). Historycznie rzecz biorąc, prototypem dowodu koncepcyjnego dla czujnika napięcia łańcucha biegunowego był pickup z gitary elektrycznej. Czujnik prędkości łańcucha mieścił się na jednym z kół przerzutki i mógł zliczać “impulsy” w polu magnetycznym w miarę przechodzenia nitów łańcuchowych; ponieważ nity łańcuchowe znajdują się w znanej odległości od siebie, prędkość łańcucha była łatwo obliczana. Jeśli chodzi o dokładność, to kiedy Polar działał dobrze, to było bardzo dobrze, a kiedy nie, to było bardzo niegrzecznie. Co gorsza, często trudno było stwierdzić, kiedy był niegrzeczny. Upadek starego polarnego miernika mocy był trzykrotny: 1) spadek Czujnik naprężenia łańcucha musiał znajdować się blisko łańcucha, co było trudne do osiągnięcia, ponieważ łańcuch czasami musiał znajdować się w dużym lub małym pierścieniu łańcucha lub w dużym lub małym tylnym zębie; 2) czujnik prędkości łańcucha czasami się przytłaczał i dawał fałszywe odczyty prędkości; oraz 3) niepełna odporność na warunki atmosferyczne częściowo wynikała z odsłoniętych drutów i słabo uszczelnionego “strąka”

Miernik mocy oparty na dolnym uchwycie Ergomo używał czujnika optycznego i serii “otworów pod kątem” do pomiaru skręcania w dolnym uchwycie. Dziwną cechą tej konstrukcji jest to, że mógł on mierzyć tylko siłę skręcającą przechodzącą przez dolny wspornik; w ten sposób mierzył tylko moc przekazywaną przez lewą nogę: aby uzyskać całkowitą moc, podwoił wkład lewej nogi. W połączeniu z trudnościami w instalacji i kalibracji Ergoma (musiał być zainstalowany _ dokładnie tak_), ta zależność od obustronnej symetrii pomiędzy nogami była śmiertelnym kolanem dla Ergoma. Miernik mocy Stages podobnie mierzy siłę przez deformację w lewej korbie i podwaja “lewą”, aby uzyskać szacunek całkowitej mocy. Badania z użyciem oprzyrządowanych pedałów siły pokazują, że obustronna asymetria w wytwarzaniu mocy pomiędzy prawą i lewą nogą jest normą - co gorsza, badania pokazują, że asymetria może zmieniać się wraz z poziomem wysiłku. Jednak niektórzy kolarze są skłonni zaakceptować tę wrodzoną niedokładność i nieprecyzyjność.

Ponieważ ani stare mierniki mocy Polar ani Ergomo nie używały tensometrów, ich dokładność i precyzja nie mogła być statystycznie sprawdzana w terenie przez kolarza; mogły być sprawdzane tylko dynamicznie (lub w stosunku do innego znanego kalibrowanego miernika mocy).

Nieopublikowane mierniki mocy Garmin Metrigear i Brim Brothers z pedałem lub knagą na pedale podobno używają raczej czujników piezoelektrycznych i przyspieszeniomierzy półprzewodnikowych niż tensometrów foliowych, ale dopóki nie dotrą na rynek, wszystkie pretensje o dokładność i precyzję powinny być przyjmowane z ziarnami soli. Ciekawym problemem przy projektowaniu mierników mocy opartych na pedałach lub knagach jest to, że kierunek siły i pozycja wrzeciona pedału muszą być znane: na przykład, jeśli dodamy siłę w dół na dole skoku pedału, jest to siła zmarnowana, ponieważ nie pomaga w przesuwaniu korby we właściwym kierunku; podobnie, jeśli naciskamy w dół (choć nieznacznie) na skok w górę, to anulujemy część siły wywieranej przez drugą nogę na jej skok w dół. Śledzenie różnych wektorów siły jest więc kluczem do uzyskania niezawodnej dokładności i precyzji. Do pewnego stopnia, miernik mocy Stage może być również czasami podatny na związany z tym problem: Stages używa półprzewodnikowego przyspieszeniomierza w pedale (podobnie jak półprzewodnikowe przyspieszeniomierze można znaleźć w smartfonach) do określenia jego pozycji. Wczesne modele produkcyjne Stages były nękane przez nieprecyzyjne pomiary położenia pedałów, więc prędkość pedału również była nieprecyzyjna - a to miało wpływ na precyzję ostatecznych szacunków mocy.

Niedawno wydany (od stycznia 2012) Look/Polar Power meter używa tensometrów umieszczonych wzdłuż wrzeciona pedału, a każdy pedał musi być starannie zainstalowany, aby pedały wiedziały, w którym kierunku siły są przyłożone - specjalne narzędzie jest dostarczane wraz z pedałami, aby pomóc w orientacji. Aby ułatwić przeliczanie zmierzonych sił na wartości momentu obrotowego, pedał Look/Polar pozwala na użycie tylko czterech różnych długości korby: 170mm, 172.5mm, 175mm i 177.5mm. Korby krótsze niż 170 mm nie są obecnie podparte. Jeden pedał jest “master” a drugi “slave”; pedał slave przekazuje informacje do master, który następnie łączy dane z obu pedałów i przekazuje je do jednostki głównej. W chwili obecnej pedał Look/Polar wykorzystuje swój własny protokół transmisji i żaden inny producent nie podpisał jeszcze umowy na dostawę kompatybilnych jednostek głównych. Wczesne raporty o nowych pedałach Look potwierdzają, że orientacja pedałów jest krytyczna: ponieważ trzpień pedału jest mały, mały absolutny błąd w ustawieniu może być dużym względnym błędem w jego orientacji kątowej.

iBike przyjmuje zupełnie inne podejście: oblicza moc pośrednio. Oznacza to, że potrzebna jest pewna ilość mocy, aby pokonać zmiany energii potencjalnej (wznoszenie lub opadanie), zmiany energii kinetycznej (przyspieszanie lub zwalnianie), aby pokonać opór aerodynamiczny (w tym wiatr) i opór toczenia, więc jeśli znasz prędkość na ziemi, gradient, prędkość wiatru, Twoja masa całkowita (Ty plus rower i cały sprzęt), a następnie w połączeniu z szacunkowymi współczynnikami oporu toczenia (Crr) oraz oporu powietrza i powierzchni czołowej (CdA lub powierzchnia oporu) możesz obliczyć całkowitą moc (patrz np. tutaj ). Zasadniczo, pozostałe mierniki mocy na rynku koncentrują się na “równaniu po stronie podaży” poprzez pomiar mocy dostarczanej przez jeźdźca gdzieś wzdłuż układu napędowego; iBike skupia się na “stronie popytu” poprzez pomiar mocy zażądał przesunięcia roweru pod wiatr, nachylenie i inne siły oporu. W normalnych warunkach może to być całkiem (a może nawet zaskakująco) dokładne, choć precyzja tak oszacowanej mocy nie jest tak dobra - iBike zakłada, że aerodynamiczny obszar oporu (tzw. CdA) jest stały, więc jeśli zawodnik zmieni pozycję (np. przesunie się z kropli na szczyty prętów) lub jeśli prędkość wiatru będzie się różnić z powodu zmiany kąta odchylenia, szacowana moc będzie wyłączona. Ogólnie rzecz biorąc, iBike jest dość dokładny w przypadku podjazdów górskich; mniej w przypadku kursów toczenia lub jazdy w paczce, więc ogólna dokładność będzie zależała od dokładnej kombinacji wykonanej jazdy i zmienności kierunku wiatru. Podobnie jak w przypadku starego roweru Polar i Ergomo, który nie jest oparty na klatce piersiowej, iBike nie może być sprawdzany statycznie pod względem dokładności i precyzji; co gorsza, nie może być też sprawdzany na dynamicznej platformie w laboratorium, ponieważ zależy to od nachylenia i prędkości wiatru. Kontrole iBike'a zostały przeprowadzone w terenie, gdy kolarze zamontowali na tym samym rowerze inny miernik mocy i porównali dwa strumienie danych.

Było kilka “jednoczesnych” porównań dokładności mierników mocy, gdy jeden z kolarzy zamontował na rowerze dwa lub więcej mierników mocy i jechał na zorganizowanej lub nieustrukturyzowanej trasie. Można zobaczyć jedno takie porównanie “Rosetta Stone” tutaj i tutaj .

Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie komercyjnie wydawane mierniki mocy były dokładne (a czasami dokładne), gdy były nowo wyregulowane i działały w idealnych warunkach. Jednak warunki nie zawsze są idealne i części ulegają uszkodzeniu, zabrudzeniu i zniszczeniu. Jeśli dokładność i precyzja są ważne, to dokładność “projektowa” (czy to w oparciu o mierniki tensometryczne, czujniki optyczne, czujniki magnetyczne, czy czujniki prędkości wiatru) to tylko połowa bitwy: równie ważna jest możliwość weryfikacji miernika mocy w domu, aby można było stwierdzić, kiedy są wyłączone.