Co dokładnie mierzą? Jak to mierzą? Jakie są konsekwencje różnych podejść do dokładności / szybkości uzyskania dobrej miary?
Byłoby pomocne, gdyby ktoś mógł udzielić odpowiedzi wyjaśniającej, w jaki sposób mierniki oparte na piaście, takie jak PowerTap, różnią się od mierników opartych na korbie, takich jak Quarq, które różnią się od innych.
Odpowiedzi:
Na rynku istnieje kilka różnych rodzajów mierników mocy i każdy mierzy coś nieco innego, aby dokonać swoich oszacowań. Ponadto sposób, w jaki mierzą to, co mierzą, ma wpływ na ich dokładność. Poniżej omawiam, co mierzą główne modele, jak to mierzą oraz implikacje dla dokładności.
Moc to tempo pracy (więc musisz znać ilość pracy i przedział czasu, w którym ta praca jest wykonywana), a praca to siła wywierana na odległość, więc każdy miernik mocy ma inny sposób pomiaru tych siły i, z powodu patentów, każdy zdecydował się zmierzyć je w innym „miejscu”.
Z wyjątkiem iBike, większość mierników mocy mierzy siły gdzieś wzdłuż układu napędowego: pracując od tyłu do przodu, PowerTap (i stary Look MaxOne) mierzy w tylnej piaście, starsze systemy Polar mierzone wzdłuż łańcucha, miary Quarq, SRM, Rotor i Power2Max na pająku przedniego pierścienia łańcuchowego, nowy miernik Look / Polar i Garmin Metrigear (do tej pory zapowiedziany, ale nieopublikowany) na wrzecionie pedału, (zapowiedziany, ale nieopublikowany) środek Brim Brothers przy stopie buta Ergomo mierzył w dolnym wsporniku, a Stopnie mierzy w lewej korbie. IBike mierzy w zupełnie inny sposób, co omówiono poniżej. Jedną z konsekwencji pomiaru w różnych punktach wzdłuż układu napędowego jest to, że straty w układzie napędowym zostaną (lub nie zostaną) uwzględnione w różnym stopniu; na przykład, PowerTap zwykle odczytuje wartość niższą niż SRM, ponieważ jeden jest „powyżej” większości strat w układzie napędowym, a drugi „poniżej”. Ta różnica jest bardziej kwestią definicyjną niż ścisłą kwestią „dokładności” (w sensie „czy dochód brutto lub dochód netto jest bardziej„ dokładną ”miarą dochodu?”). Jeśli nie masz konkretnego zastosowania, trudno jest powiedz, która jest bardziej „dokładna”).
Większość dostępnych na rynku mierników mocy wykorzystuje tensometry, które są małymi cienkimi paskami folii, których przewodność elektryczna i rezystancja zmieniają się w miarę ich deformacji. Tensometry są używane w wielu zastosowaniach (takich jak mosty), a ich właściwości są dobrze znane. Zasadniczo tensometry są łączone w „rozetę” lub „mostek z pszenicy” w celu uzyskania większej dokładności i precyzji (więcej tensometrów zwykle daje lepsze wyniki), a przy prawidłowym działaniu zwykle Tap Tap, Quarq i SRM są zwykle z dokładnością do kilku procent (i, co równie ważne, z dużą precyzją); zostało to zweryfikowane zarówno statycznie (przy użyciu znanych ciężarów zawieszonych na korbie), jak i dynamicznie (przy użyciu dużego napędzanego bębna toczącego w laboratorium). Siły są następnie łączone z pomiarem prędkości kątowej lub prędkości w celu uzyskania mocy. Zaletą tensometrów jest to, że zmianę rezystancji można zmierzyć nawet, gdy urządzenie jest nieruchome, aby rowerzysta mógł zmierzyć dokładność mierników mocy opartych na tensometrze w domu, zawieszając ciężary o znanej masie na korbie. Częstym problemem związanym z podejściem tensometru jest jednak to, że mogą być wrażliwe na zmiany temperatury i dlatego muszą być „zerowane” przed (a czasem podczas) jazdą. Piętą achillesową starego Look MaxOne była wodoodporność, a nie tensometry lub metoda pomiaru. Na przykład oryginalny Power2Max (i stary wycofany model „Amateur” SRM) wykorzystuje mniej tensometrów niż obecny PowerTap, Quarq, lub modele SRM i raporty użytkowników (następnie przyznane przez producenta) wykazały, że był on bardziej wrażliwy na zmiany temperatury podczas jazdy niż te inne. Power2Max został przeprojektowany i zaktualizowany pod koniec 2012 roku, a raporty wskazują, że problem temperatury został w dużej mierze rozwiązany. Twierdzona cecha Etapów polega na tym, że została zaprojektowana wokół automatycznej kompensacji temperatury - od początku 2013 r. Twierdzenie to jest wciąż oceniane przez użytkowników i jest zbyt wcześnie, aby wiedzieć, czy ich podejście spełnia to, co twierdzi.
Stary miernik mocy Polar mierzył siłę przenoszoną wzdłuż łańcucha przez napięcie łańcucha i zawierał czujnik prędkości łańcucha, aby uzyskać całkowitą pracę. W łańcuchu wyższa siła przenoszona wzdłuż łańcucha powoduje wyższe napięcie, a napięcie można zmierzyć na podstawie częstotliwości rezonansowej obiektu (na przykład wyrywanie mocno napiętej szprychy paznokciem generuje ton wysokiej częstotliwości, podczas gdy wyrywanie luźnej szprychy wytwarza niski ton). Na marginesie historycznym prototypem czujnika napięcia łańcucha Polar był prototyp koncepcji gitary elektrycznej. Czujnik prędkości łańcucha mieści się na jednym z kół podporowych przerzutki i może zliczać „impulsy” w polu magnetycznym w miarę, jak mijają nity łańcucha; ponieważ nity łańcuchowe są znanymi odległościami, prędkość łańcucha łatwo było obliczyć. Jeśli chodzi o dokładność, kiedy Polar działał dobrze, to było bardzo dobre; jednak kiedy tak nie było, było to naprawdę bardzo niegrzeczne. Co gorsza, często trudno było stwierdzić, kiedy było niegrzeczne. Upadek starego miernika mocy Polar był trzykrotnie: 1) czujnik napięcia łańcucha musiał znajdować się blisko łańcucha, co było trudne do osiągnięcia, ponieważ łańcuch musiał czasem znajdować się w dużym lub małym pierścieniu łańcucha lub dużym lub mały tylny trybik; 2) czujnik prędkości łańcucha czasami był przytłoczony i podawał fałszywe odczyty prędkości; oraz 3) niepełna odporność na warunki atmosferyczne częściowo z powodu odsłoniętych drutów i źle uszczelnionego „zasobnika”. co było trudne do osiągnięcia, ponieważ łańcuch musiał czasem znajdować się w dużym lub małym pierścieniu łańcuchowym lub dużym lub małym tylnym zębatku; 2) czujnik prędkości łańcucha czasami był przytłoczony i podawał fałszywe odczyty prędkości; oraz 3) niepełna odporność na warunki atmosferyczne częściowo z powodu odsłoniętych drutów i źle uszczelnionego „zasobnika”. co było trudne do osiągnięcia, ponieważ łańcuch musiał czasem znajdować się w dużym lub małym pierścieniu łańcuchowym lub dużym lub małym tylnym zębatku; 2) czujnik prędkości łańcucha czasami był przytłoczony i podawał fałszywe odczyty prędkości; oraz 3) niepełna odporność na warunki atmosferyczne częściowo z powodu odsłoniętych drutów i źle uszczelnionego „zasobnika”.
Miernik mocy oparty na wsporniku dolnym Ergomo wykorzystał czujnik optyczny i szereg „otworów podglądowych” do pomiaru skrętu w wsporniku dolnym. Dziwną cechą tego projektu jest to, że mógł on mierzyć jedynie siłę (skrętną) przemieszczającą się przez suport; w ten sposób mierzył jedynie moc wniesioną przez lewą nogę: aby uzyskać całkowitą moc, podwoił wkład lewej nogi. W połączeniu z trudnościami w instalacji i kalibracji Ergomo (musiał być zainstalowany dokładnie tak), ta zależność od dwustronnej symetrii między nogami była zapowiedzią śmierci Ergomo. Miernik mocy Etapy podobnie mierzy siłę przez deformację w lewej korbie i podwaja „lewą”, aby oszacować całkowitą moc. Badania z użyciem oprzyrządowanych pedałów siły pokazują, że dwustronna asymetria w wytwarzaniu mocy między prawą i lewą nogą jest normą - co gorsza, badania pokazują, że asymetria może się zmieniać wraz z poziomem wysiłku. Jednak niektórzy kierowcy są gotowi zaakceptować tę nieodłączną niedokładność i niedokładność.
Ponieważ ani stare mierniki mocy Polar, ani Ergomo nie używały tensometrów, ich dokładność i precyzja nie mogły być sprawdzone przez rowerzystę w terenie; można je było sprawdzać tylko dynamicznie (lub w stosunku do innego skalibrowanego miernika mocy).
Niepublikowane mierniki mocy pedałów lub bloków pedałów Garmin Metrigear i Brim Brothers podobno używają czujników piezoelektrycznych i półprzewodnikowych akcelerometrów zamiast mierników odkształceń folii, ale dopóki nie trafią na rynek, wszystkie twierdzenia dotyczące dokładności lub precyzji należy przyjmować z ziarnami soli. Ciekawym problemem w konstrukcji miernika mocy opartego na pedale lub korku jest to, że kierunek siły i położenie wrzeciona pedału muszą być znane: na przykład, jeśli dodasz siłę skierowaną w dół u dołu skoku pedału, jest marnowaną siłą, ponieważ nie pomaga w poruszaniu korbą we właściwym kierunku; podobnie, jeśli naciśniesz (choć nieznacznie) podczas suwu w górę, to anuluje część siły wywieranej przez drugą nogę podczas suwu w dół. Śledzenie różnych wektorów siły jest zatem kluczem do uzyskania niezawodnej dokładności i precyzji. Do pewnego stopnia miernik mocy Stage może być czasami podatny na związany z tym problem: Stages wykorzystuje akcelerometr półprzewodnikowy w pedale (podobny do akcelerometrów półprzewodnikowych, które można znaleźć w smartfonach), aby określić jego położenie. Modele wczesnych etapów produkcji były nękane nieprecyzyjnymi pomiarami pozycji pedału, więc prędkość pedału była również niedokładna - i miało to wpływ na dokładność ostatecznych oszacowań mocy.
Niedawno wydany (od stycznia 2012 r.) Miernik mocy Look / Polar wykorzystuje czujniki naprężeń rozmieszczone wzdłuż wrzeciona pedału, a każdy pedał musi być ostrożnie zainstalowany, aby pedały wiedziały, w którą stronę przykładane są siły - specjalne narzędzie jest dostarczane z pedały ułatwiające orientację. Aby uprościć konwersję zmierzonych sił na wartości momentu obrotowego, pedał Look / Polar umożliwia użycie tylko czterech różnych długości korby: 170 mm, 172,5 mm, 175 mm i 177,5 mm. Korby krótsze niż 170 mm nie są obecnie obsługiwane. Jeden pedał jest „mistrzem”, a drugi „niewolnikiem”; pedał slave przesyła informacje do mastera, który następnie łączy dane z obu pedałów i przesyła je do jednostki głównej. W tym momencie, pedał Look / Polar wykorzystuje własny protokół transmisji i żaden inny producent nie podpisał się jeszcze w celu zapewnienia kompatybilnych jednostek głównych. Wczesne raporty na temat nowych pedałów Look potwierdzają, że ustawienie pedałów ma kluczowe znaczenie: ponieważ wrzeciono pedału jest małe, niewielki błąd bezwzględny w wyrównaniu może być dużym błędem względnym w jego orientacji kątowej.
IBike ma zupełnie inne podejście: oblicza moc pośrednio. Oznacza to, że potrzebujesz pewnej mocy, aby przezwyciężyć zmiany energii potencjalnej (wspinanie się lub opadanie), zmiany energii kinetycznej (przyspieszanie lub zwalnianie), aby przezwyciężyć opór aerodynamiczny (w tym wiatr) i opór toczenia, więc jeśli znać prędkość jazdy, gradient, prędkość wiatru, całkowitą masę (plus rower i cały sprzęt), a następnie w połączeniu z oszacowaniami współczynników oporu toczenia (Crr) oraz oporu aerodynamicznego i pola powierzchni przedniej (CdA lub obszaru oporu) można obliczyć ogólna moc (patrz na przykład tutaj). Zasadniczo inne mierniki mocy na rynku koncentrują się na „równaniu po stronie podaży” poprzez pomiar mocy dostarczanej przez kierowcę gdzieś wzdłuż układu napędowego; iBike koncentruje się na „stronie popytu”, mierząc moc potrzebną do poruszania motocyklem pod wiatr, gradient i inne siły oporu. W normalnych warunkach może to być dość (być może nawet zaskakująco) dokładne, choć precyzja oszacowanej w ten sposób mocy nie jest tak dobra - iBike zakłada, że aerodynamiczny obszar oporu (aka CdA) jest stały, więc jeśli jeździec zmienia pozycję (powiedzmy, przechodząc od kropli do szczytów paska) lub jeśli prędkość wiatru różni się z powodu zmiany kąta odchylenia, oszacowanie mocy zostanie wyłączone. Ogólnie rzecz biorąc, okazało się, że iBike jest dość dokładny podczas podjazdów; mniej w przypadku toczenia kursów lub jazdy w paczce, więc ogólna dokładność będzie zależeć od dokładnej kombinacji wykonanej jazdy i zmienności w kierunku wiatru. Podobnie jak w przypadku starych Polar i Ergomo opartych na tensometrze, iBike nie może być statystycznie sprawdzony pod kątem dokładności lub precyzji; gorzej, ani nie można tego sprawdzić na dynamicznym urządzeniu w laboratorium, ponieważ zależy to od nachylenia i prędkości wiatru. Kontrole iBike przeprowadzono w terenie, gdy zawodnicy zamontowali kolejny miernik mocy na tym samym rowerze i porównali dwa strumienie danych.
Było kilka „równoczesnych” porównań dokładności miernika mocy, gdy jeden rowerzysta zamontował dwa lub więcej mierników mocy na rowerze i jeździł na strukturalnych lub nieustrukturyzowanych przejażdżkach. Można zobaczyć jeden taki „Rosetta Stone” porównanie tutaj i tutaj .
Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie komercyjnie wypuszczane mierniki mocy były dokładne (a czasem precyzyjne), gdy zostały niedawno dostosowane i działają w idealnych warunkach. Jednak warunki nie zawsze są idealne, a części ulegają uszkodzeniu, zabrudzeniu i pogorszeniu. Jeśli dokładność i precyzja są ważne, to dokładność „projektowa” (niezależnie od tego, czy jest to na podstawie tensometrów, czujników optycznych, czujników magnetycznych czy czujników prędkości wiatru) to tylko połowa sukcesu: równie ważna jest możliwość weryfikacji miernika mocy w domu, abyś mógł wiedzieć, kiedy są wyłączone.
Ciekawe jest to zdjęcie pierwszego miernika mocy SRM :
Korba jest ustawiona jak dźwignia (obraca się wokół wrzeciona) - im mocniej naciskasz pedał, tym bardziej zgina się ogranicznik naprężenia , którego moc jest wykorzystywana jako część mocy obliczeniowej (jak to lepiej opisano w drugim odpowiedzi!)
Wiele nowoczesnych mierników mocy jest zasadniczo udoskonaleniem tej koncepcji
Zasadniczo wszystkie mierniki mocy pracują poprzez pomiar siły (lub momentu obrotowego) i prędkości.
http://en.wikipedia.org/wiki/Power_(physics)#Mechanical_power
P(t) = F(t) * v(t)
Innymi słowy:
Power = Force * velocity
Miernik mocy na pedale lub korbie będzie mierzył albo moment obrotowy przykładany do korb. To w połączeniu z rytmem daje ci moc wyjściową (dodaj czas, a wykonasz całą pracę).
Miernik mocy oparty na piaście mierzy moment obrotowy przyłożony do piasty przez układ napędowy i łączy to z prędkością lub obrotem koła, aby wykonać tę samą podstawową matematykę i obliczyć tam moc wyjściową.
Zasadniczo jeden mierzy moc wchodzącą do układu napędowego, drugi mierzy moc wychodzącą z układu napędowego. Gdybyś miał oba, miernik mocy piasty pokazywałby nieco mniejszą moc z powodu utraty mocy w układzie napędowym. Układ napędowy roweru jest jednak bardzo wydajny (zwłaszcza gdy jest dobrze utrzymany), więc nie martwiłbym się bardzo małą różnicą. W pewnym stopniu może to zależeć od tego, czy bardziej zależy Ci na mocy wyjściowej, czy mocy całego systemu jeździec + rower.
Rzeczywistym mechanizmem fizycznym leżącym u podstaw jest prawdopodobnie tensometr składający się z cienkiego drutu biegnącego zygzakiem po belce, która lekko zgina się podczas przyłożenia siły. Zagięcie drutów zmienia opór elektryczny. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge
Słyszałem także o miernikach mocy, które mierzą siłę nacisku na pedały. Zakładam, że trzeba im powiedzieć o długości korb. Słyszałem również o systemach, które mierzą wibracje łańcucha w celu obliczenia napięcia łańcucha, aby uzyskać informacje o sile / momencie obrotowym w celu obliczenia mocy wyjściowej.