Как работают измерители мощности велосипеда?

На рынке есть несколько различных типов измерителей мощности, и каждый из них измеряет что-то немного отличающееся, чтобы сделать свои оценки. Кроме того, то, как они измеряют то, что они измеряют, влияет на их точность. Ниже я расскажу о том, что измеряют основные модели, как они это измеряют и как это влияет на точность.

Мощность — это скорость работы (поэтому вам нужно знать количество работы и промежуток времени, в течение которого эта работа выполняется), а работа — это сила, приложенная на расстоянии, поэтому каждый измеритель мощности имеет свой способ измерения этой работы. сил, и из-за патентов каждый решил измерять их в другом «месте».

За исключением iBike, большинство измерителей мощности измеряют силы где-то вдоль трансмиссии: работая от задней части к передней, PowerTap (и старый Look MaxOne) измеряет на задней втулке, старые системы Polar измеряют вдоль цепи, Quarq, SRM, Rotor и Power2Max измеряют крестовину передней цепи, новые Look/Polar и Garmin Metrigear (пока анонсированные, но не выпущенные) измеряют ось педали, (анонсированные, но не выпущенные) измерения Brim Brothers на шипе ботинка, Ergomo измеряется на нижнем кронштейне, а Stages измеряется на левом кривошипе. iBike измеряет совершенно по-другому, как описано ниже. Одним из следствий измерения в различных точках трансмиссии является то, что потери в трансмиссии будут (или не будут) учитываться в разной степени; Например, PowerTap обычно считывается ниже, чем SRM, поскольку один находится «вверх по течению» от большинства потерь в трансмиссии, а другой - «вниз по течению». Это различие является скорее вопросом определения, чем строгой проблемой «точности» (в смысле «является ли валовой доход или чистый доход более« точной » мерой дохода?» Если вы не имеете в виду конкретное использование, трудно определить сказать, что более "точно").

В большинстве представленных на рынке измерителей мощности используются тензорезисторы, представляющие собой небольшие тонкие полоски фольги, электрическая проводимость и сопротивление которых изменяются по мере их деформации. Тензодатчики используются во многих приложениях (например, в мостах), и их свойства хорошо изучены. Как правило, тензодатчики объединяются в «розетку» или «мост Уитстона», чтобы обеспечить большую точность и прецизионность (большее количество тензорезисторов обычно дает лучшие результаты), и при правильной работе Power Tap, Quarq и SRM обычно с точностью до пары процентов (и, что не менее важно, с высокой точностью); это было проверено как статически (с использованием известных грузов, подвешенных к кривошипу), так и динамически (с использованием большого вращающегося барабана в лаборатории). Затем силы объединяются с измерением угловой скорости или скорости для получения мощности. Преимущество тензодатчиков заключается в том, что изменение сопротивления можно измерить, даже когда устройство неподвижно, поэтому велосипедист может измерить точность измерителей мощности на основе тензометров дома, подвешивая грузы известной массы к кривошипу. Однако общая проблема с тензометрическим подходом заключается в том, что они могут быть чувствительны к изменениям температуры, и поэтому их необходимо «повторно обнулить» перед поездкой (а иногда и во время). Ахиллесовой пятой старого Look MaxOne была водонепроницаемость, а не датчики деформации или метод измерения. Например, в оригинальном Power2Max (и в старой снятой с производства модели SRM «Amateur») используется меньше тензорезисторов, чем в текущих PowerTap, Quarq, или модели SRM и отчеты пользователей (впоследствии признанные производителем) показали, что он более чувствителен к температурному дрейфу во время поездки, чем другие. Power2Max был переработан и обновлен в конце 2012 года, и, как сообщается, проблема с температурой была в значительной степени решена. Заявленная особенность Stages заключается в том, что они разработаны на основе автоматической температурной компенсации - по состоянию на начало 2013 года это утверждение все еще оценивается пользователями, и еще слишком рано знать, делает ли их подход то, что заявлено.

Старый измеритель мощности Polar измерял силу, передаваемую по цепи за счет натяжения цепи, и включал датчик скорости цепи, чтобы получить общую работу. В цепи более высокая сила, передаваемая по цепи, приводит к более высокому натяжению, а натяжение может быть измерено по резонансной частоте объекта (например, выщипывание ногтем сильно натянутой спицы производит высокочастотный тон, в то время как выдергивание ослабленной спицы производит звук высокой частоты). низкий тон). В качестве исторического отступления отметим, что экспериментальным прототипом датчика натяжения цепи Polar был звукосниматель от электрогитары. Датчик скорости цепи помещался на одном из опорных колес переключателя и мог подсчитывать «импульсы» в магнитном поле при прохождении заклепок цепи; поскольку цепные заклепки находятся на известном расстоянии друг от друга, скорость цепи легко рассчитать. Что касается точности, то когда Полар работал хорошо, это было очень хорошо; однако, когда это было не так, это было действительно очень непослушно. Хуже того, часто было трудно сказать, когда он был непослушным. Недостатки старого измерителя мощности Polar были тройными: 1) датчик натяжения цепи должен был находиться близко к цепи, чего было трудно добиться, поскольку цепь иногда должна была находиться в большом или малом цепном кольце или в большом или большом кольце. маленькая задняя шестеренка; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная защита от атмосферных воздействий частично из-за оголенных проводов и плохо загерметизированной «капсулы». чего было трудно достичь, поскольку цепь иногда должна была находиться в большом или малом переднем кольце или в большой или малой задней звездочке; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная защита от атмосферных воздействий частично из-за оголенных проводов и плохо загерметизированной «капсулы». чего было трудно достичь, поскольку цепь иногда должна была находиться в большом или малом переднем кольце или в большой или малой задней звездочке; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная защита от атмосферных воздействий частично из-за оголенных проводов и плохо загерметизированной «капсулы».

Измеритель мощности Ergomo на основе каретки использовал оптический датчик и серию «смотровых отверстий» для измерения кручения в каретке. Странной характеристикой этой конструкции является то, что она может измерять только (крутящую) силу, проходящую через каретку; таким образом, он измерял только мощность, вносимую левой ногой: чтобы получить общую мощность, он удваивал вклад левой ноги. В совокупности со сложностью установки и калибровки Ergomo (пришлось ставить именно так), эта зависимость от двусторонней симметрии между ногами стала похоронным звоном для Ergomo. Измеритель мощности Stages аналогичным образом измеряет силу по деформации левого коленчатого вала и удваивает «левое» значение, чтобы получить оценку общей мощности. Исследования с инструментальными педалями показывают, что двусторонняя асимметрия в выработке мощности между правой и левой ногами является нормой — хуже того, исследования показывают, что асимметрия может меняться в зависимости от уровня усилия. Однако некоторые гонщики готовы принять эту присущую им неточность и неточность.

Поскольку ни в старых измерителях мощности Polar, ни в Ergomo не использовались тензометрические датчики, велосипедист не мог статически проверить их точность и прецизионность в полевых условиях; их можно было проверить только динамически (или по другому измерителю мощности с известной калибровкой).

Ходят слухи, что в невыпущенных педальных или педальных измерителях мощности Garmin Metrigear и Brim Brothers используются пьезоэлектрические датчики и полупроводниковые акселерометры, а не тензодатчики из фольги, но до тех пор, пока они не появятся на рынке, все заявления о точности или прецизионности следует воспринимать с недоверием. Интересная проблема в конструкции измерителя мощности на основе педали или шипа заключается в том, что направление силы и положение оси педали должны быть известны: например, если вы добавляете направленную вниз силу в нижней части хода педали, то сила тратится впустую, так как она не помогает двигать кривошип в правильном направлении; аналогичным образом, если вы нажмете (пусть и слегка) при движении вверх, это нейтрализует часть силы, прилагаемой другой ногой при движении вниз. Таким образом, отслеживание различных векторов силы является ключом к получению надежной точности и прецизионности. В некоторой степени измеритель мощности Stage также иногда может быть подвержен связанной с этим проблеме: Stages использует твердотельный акселерометр в педали (аналогичный твердотельным акселерометрам, которые можно найти в смартфонах) для определения его положения. Ранние серийные модели Stages страдали от неточных измерений положения педали, поэтому скорость педали также была неточной, и это имело последствия для точности окончательных оценок мощности.

В недавно выпущенном (по состоянию на январь 2012 г.) измерителе мощности Look/Polar используются тензометрические датчики, расположенные вдоль оси педали, и каждая педаль должна быть тщательно установлена, чтобы педали знали, в каком направлении приложены усилия. педали, чтобы помочь с ориентацией. Чтобы упростить преобразование измеренных усилий в значения крутящего момента, педаль Look/Polar позволяет использовать только четыре различных длины кривошипа: 170 мм, 172,5 мм, 175 мм и 177,5 мм. Шатуны короче 170 мм в настоящее время не поддерживаются. Одна педаль является «ведущей», а другая — «ведомой»; ведомая педаль передает информацию ведущему, который затем объединяет данные с обеих педалей и передает их на головное устройство. В данный момент, педаль Look/Polar использует собственный протокол передачи, и ни один другой производитель еще не подписал контракт на поставку совместимых головных устройств. Ранние отчеты о новых педалях Look подтверждают, что ориентация педалей имеет решающее значение: поскольку ось педали мала, небольшая абсолютная ошибка выравнивания может быть большой относительной ошибкой ее угловой ориентации.

iBike использует совершенно другой подход: он вычисляет мощность косвенно. То есть вам нужна определенная мощность для преодоления изменения потенциальной энергии (подъем или спуск), для изменения кинетической энергии (ускорение или торможение), для преодоления аэродинамического сопротивления (включая ветер) и сопротивления от сопротивления качению, поэтому, если вы знать путевую скорость, уклон, скорость ветра, вашу общую массу (вас плюс велосипед и все оборудование), а затем в сочетании с оценками коэффициентов сопротивления качению (Crr), аэродинамического сопротивления и площади передней поверхности (CdA или площадь сопротивления) вы можете рассчитать общая мощность (см., например, здесь). По сути, другие измерители мощности на рынке сосредоточены на «уравнении стороны предложения», измеряя мощность, подаваемую гонщиком где-то вдоль трансмиссии; iBike фокусируется на «стороне спроса», измеряя мощность, необходимую для движения велосипеда против ветра, уклона и других сил сопротивления. В нормальных условиях это может быть довольно (возможно, даже удивительно) точным, хотя точность оценки мощности таким образом не так хороша — iBike предполагает, что площадь аэродинамического сопротивления (также известная как CdA) постоянна, поэтому, если гонщик меняет положение (скажем, перемещается от капель к вершинам руля) или если скорость ветра отличается из-за изменения угла рыскания, оценка мощности будет отключена. В целом было показано, что iBike довольно точен при подъеме на холм; в меньшей степени для катящихся курсов или катания в стае, поэтому общая точность будет зависеть от точного сочетания выполняемой езды и изменчивости направления ветра. Как и в случае со старыми Polar и Ergomo без тензодатчиков, iBike нельзя статически проверить на точность или воспроизводимость; хуже, и это нельзя проверить на динамической установке в лаборатории, так как это зависит от градиента и скорости ветра. Проверки iBike проводились в полевых условиях, когда гонщики устанавливали еще один измеритель мощности на тот же велосипед и сравнивали два потока данных.

Было проведено несколько «одновременных» сравнений точности измерителя мощности, когда один гонщик устанавливал на велосипеде два или более измерителя мощности и совершал структурированные или неструктурированные поездки. Вы можете увидеть одно такое сравнение «Розеттского камня» здесь и здесь .

В целом, все коммерчески выпущенные измерители мощности были точными (а иногда и точными) при новой настройке и работе в идеальных условиях. Однако условия не всегда идеальны, и детали повреждаются, пачкаются и приходят в негодность. Если точность и прецизионность важны, то «проектная» точность (основанная на тензодатчиках, оптических датчиках, магнитных датчиках или датчиках скорости ветра) — это только полдела: не менее важна возможность поверки измерителя мощности дома, чтобы вы можно сказать, когда они выключены.

Мне показалось интересным это изображение первого измерителя мощности SRM :

Кривошип устроен как рычаг (вращается вокруг шпинделя) - чем сильнее вы нажимаете на педаль, тем больше изгибается тензорезистор , выходной сигнал которого используется как часть расчета мощности (как лучше описано в другом ответы!)

Многие современные измерители мощности, по сути, являются усовершенствованием этой концепции.

По сути, все измерители мощности работают путем измерения силы (или крутящего момента) и скорости.

http://en.wikipedia.org/wiki/Power_(physics)#Mechanical_power

P(t) = F(t) * v(t)

Другими словами:

Power = Force * velocity

Измеритель мощности на основе педали или кривошипа будет измерять, какой крутящий момент прикладывается к кривошипам. Это в сочетании с вашим каденсом дает вам выходную мощность (добавьте время, и вы получите всю проделанную работу).

Измеритель мощности на основе ступицы измеряет крутящий момент, прилагаемый к ступице трансмиссией, и объединяет его со скоростью или вращением колеса, чтобы выполнить те же основные математические операции и рассчитать выходную мощность.

По сути, один измеряет мощность, поступающую в трансмиссию, а другой измеряет мощность, выходящую из трансмиссии. Если бы у вас было и то, и другое, измеритель мощности ступицы показал бы немного меньшую мощность из-за потери мощности в трансмиссии. Однако велосипедная трансмиссия очень эффективна (особенно в хорошем состоянии), поэтому я бы не стал беспокоиться об очень небольшой разнице. В какой-то степени это может зависеть от того, заботитесь ли вы больше о своей выходной мощности или о выходной мощности всей системы гонщик + велосипед.

Реальный лежащий в основе физический механизм, вероятно, представляет собой датчик деформации, состоящий из тонкой проволоки, идущей зигзагом по балке, которая слегка изгибается при приложении силы. Изгиб проводов изменяет электрическое сопротивление. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge

Я также слышал об измерителях мощности, измеряющих усилие на педали. Я предполагаю, что им нужно сказать длину кривошипов. Я также слышал о системах, которые измеряют вибрацию цепи для расчета натяжения цепи, чтобы получить информацию о силе/крутящем моменте для расчета выходной мощности.