Что именно они измеряют? Как они это измеряют? Каково влияние различных подходов на точность / скорость получения хорошего показателя?
Было бы полезно, если бы кто-то мог дать ответ, который объясняет, как счетчики на основе концентратора, такие как PowerTap, отличаются от счетчиков на базе кривошипа, таких как Quarq, которые отличаются от других.
Ответы:
На рынке есть несколько различных типов измерителей мощности, и каждый из них измеряет что-то немного другое, чтобы сделать свои оценки. Кроме того, способ, которым они измеряют то, что они измеряют, влияет на их точность. Ниже я расскажу, что измеряют основные модели, как они это измеряют, и последствия для точности.
Мощность - это скорость работы (поэтому вам нужно знать объем работы и промежуток времени, в течение которого эта работа выполняется), а работа - это сила, воздействующая на расстояние, поэтому каждый измеритель мощности имеет свой способ измерения этих величин. силы и, из-за патентов, каждый решил измерить их в разных «местах».
За исключением iBike, большинство измерителей мощности измеряют силы где-то вдоль трансмиссии: работая сзади и спереди, PowerTap (и старый Look MaxOne) измеряют на задней ступице, старые системы Polar измеряются вдоль цепи, измерение Quarq, SRM, Rotor и Power2Max на пауке кольца передней цепи, новое измерение Look / Polar и Garmin Metrigear (пока что анонсированное, но не выпущенное) на шпинделе педали, (объявленное, но не выпущенное) измерение Brim Brothers на зажиме для обуви Ergomo измеряется в нижней скобке, а Stages - в левой рукоятке. IBike измеряет совершенно другим способом, обсуждаемым ниже. Одним из следствий измерения в различных точках вдоль трансмиссии является то, что потери трансмиссии будут (или не будут) учитываться в разной степени; например, PowerTap обычно читает ниже, чем SRM, так как один «выше по потоку» от большинства потерь трансмиссии, а другой «ниже по потоку». Это различие является скорее вопросом определения, чем строгим вопросом «точности» (в смысле «валовой доход или чистый доход является более« точным »показателем дохода?». Если вы не имеете в виду конкретное использование, трудно скажи что более "точно").
Большинство измерителей мощности на рынке используют тензодатчики, которые представляют собой небольшие тонкие фольгированные полосы, электрическая проводимость и сопротивление которых изменяются по мере их деформации. Тензодатчики используются во многих приложениях (например, мосты), и их свойства хорошо известны. Как правило, тензодатчики объединяются в «розетку» или «мост Уитстона» для получения большей точности и точности (большее количество тензодатчиков обычно дают 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 гирь, подвешенных на рукоятке), так и динамически (с использованием большого вращающегося барабана в лаборатории). Затем силы объединяются с измерением угловой скорости или скорости, чтобы получить мощность. Преимущество тензодатчиков заключается в том, что изменение сопротивления можно измерить даже в том случае, когда устройство неподвижно, поэтому велосипедист может измерить точность измерителей мощности на основе тензодатчиков дома, повесив груз с известной массой на рукоятку. Однако общая проблема с тензометрическим подходом заключается в том, что они могут быть чувствительны к изменениям температуры и поэтому должны быть «обнулены» перед (а иногда и во время) поездками. Ахиллесовой пятой старого Look MaxOne была водонепроницаемость, а не тензодатчики или метод измерения. Например, в оригинальном Power2Max (и старой снятой модели SRM «Amateur») используется меньше тензодатчиков, чем в нынешних PowerTap, Quarq, или модели SRM и отчеты пользователей (впоследствии допущенные производителем) показали, что он был более чувствителен к температурному дрейфу во время езды, чем другие. Power2Max был переработан и обновлен в конце 2012 года, и есть сообщения, что проблема с температурой была в основном решена. Заявленная особенность этапов заключается в том, что она разработана на основе автоматической температурной компенсации - по состоянию на начало 2013 года эта заявка все еще оценивается пользователями, и еще слишком рано знать, соответствует ли их подход заявленному.
Старый измеритель мощности Polar измерял силу, передаваемую вдоль цепи натяжением цепи, и включал датчик скорости цепи, чтобы получить полную работу. В цепи более высокая сила, передаваемая по цепи, приводит к более высокому натяжению, и натяжение можно измерить по резонансной частоте объекта (например, при взмахе сильно натянутой спицы ногтем получается высокочастотный тон, а при выдергивании незакрепленной спицы). низкий тон). Как исторический пример, опытным образцом прототипа датчика натяжения цепи Polar был датчик с электрической гитары. Датчик скорости цепи установлен на одном из жокей-переключателей переключателя и может считать «импульсы» в магнитном поле при прохождении заклепок цепи; Поскольку заклепки цепи находятся на известном расстоянии друг от друга, скорость цепи легко рассчитывается. Что касается точности, когда Полярный работал хорошо, это было очень хорошо; однако, когда это не было, это было действительно очень непослушно. Хуже того, часто было трудно сказать, когда это было непослушным. Падение старого измерителя мощности Polar было трехкратным: 1) датчик натяжения цепи должен быть расположен близко к цепи, чего было трудно достичь, поскольку иногда цепь должна находиться в большом или малом кольце цепи или в большом или маленькая задняя шестерня; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная защита от атмосферных воздействий отчасти из-за оголенных проводов и плохо запечатанного «стручка». чего было трудно достичь, так как цепь иногда должна была находиться в большом или маленьком кольце цепи или в большом или маленьком заднем винте; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная защита от атмосферных воздействий отчасти из-за оголенных проводов и плохо запечатанного «стручка». чего было трудно достичь, так как цепь иногда должна была находиться в большом или маленьком кольце цепи или в большом или маленьком заднем винте; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная защита от атмосферных воздействий отчасти из-за оголенных проводов и плохо запечатанного «стручка».
Измеритель мощности на основе нижнего кронштейна Ergomo использовал оптический датчик и серию «смотровых отверстий» для измерения кручения в нижнем кронштейне. Странной характеристикой этой конструкции является то, что она может измерять только (скручивающее) усилие, проходящее через нижний кронштейн; таким образом, он только измерял мощность, вносимую левой ногой: чтобы получить полную мощность, он удваивал вклад левой ноги. В связи со сложностью установки и калибровки Ergomo (его нужно было установить именно так,), эта зависимость от двусторонней симметрии между ногами была для Эргомо смертельным звоном. Измеритель мощности Stages аналогичным образом измеряет силу деформации в левой рукоятке и удваивает «левую», чтобы получить оценку общей мощности. Исследования с использованием инструментальных педалей силы показывают, что двусторонняя асимметрия при выработке мощности между правой и левой ногами является нормой - что еще хуже, исследования показывают, что асимметрия может изменяться с уровнем усилия. Однако некоторые гонщики готовы принять эту неточность и неточность.
Поскольку ни старые измерители мощности Polar, ни Ergomo не использовали тензодатчики, их точность и точность не могли быть статически проверены в поле велосипедистом; они могут быть проверены только динамически (или с помощью другого калиброванного измерителя мощности).
Ходят слухи, что в неизданных измерителях мощности педали или шипа педалей Garmin Metrigear и Brim Brothers используются пьезоэлектрические датчики и твердотельные акселерометры, а не тензометрические датчики, но до тех пор, пока они не поступят на рынок, все претензии по поводу точности или прецизионности должны приниматься с зернами соли. Интересная проблема при проектировании измерителя мощности на основе педали или клина заключается в том, что направление силы и положение шпинделя педали должны быть известны: например, если вы добавляете усилие вниз в нижней части хода педали, это тратится впустую усилие, поскольку оно не помогает перемещать кривошип в правильном направлении; Аналогичным образом, если вы нажмете (хотя и слегка) нажатие вверх, это отменит часть силы, оказываемой другой ногой при его движении вниз. Поэтому отслеживание различных векторов силы является ключом к получению надежной точности. В некоторой степени измеритель мощности Stage также иногда может быть подвержен связанной проблеме: Stages использует твердотельный акселерометр в педали (аналогично твердотельным акселерометрам, которые можно найти в смартфонах) для определения своего 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.
Недавно выпущенный (по состоянию на январь 2012 г.) измеритель мощности Look / Polar использует тензодатчики, расположенные вдоль шпинделя педали, и каждая педаль должна быть тщательно установлена, чтобы педали знали, в каком направлении прикладываются усилия - специальный инструмент поставляется с педали, чтобы помочь с ориентацией. Чтобы упростить преобразование измеренных сил в значения крутящего момента, педаль Look / Polar позволяет использовать только четыре разных длины кривошипа: 170 мм, 172,5 мм, 175 мм и 177,5 мм. Рукоятки короче 170 мм в настоящее время не поддерживаются. Одна педаль - это «мастер», а другая - «раб»; подчиненная педаль передает информацию ведущему, который затем связывает данные с обеих педалей и направляет их в головное устройство. Сейчас, Педаль Look / Polar использует собственный протокол передачи, и ни один другой производитель еще не подписался на поставку совместимых головных устройств. Ранние отчеты о новых педалях Look подтверждают, что ориентация педалей имеет решающее значение: поскольку шпиндель педали мал, небольшая абсолютная ошибка в выравнивании может быть большой относительной ошибкой в его угловой ориентации.
IBike использует совершенно другой подход: он рассчитывает мощность косвенно. То есть вам нужно определенное количество энергии, чтобы преодолеть изменения в потенциальной энергии (подъем или спуск), изменения кинетической энергии (ускорение или замедление), преодолеть аэродинамическое сопротивление (включая ветер) и сопротивление от сопротивления качению, так что если вы знать скорость относительно земли, уклон, скорость ветра, вашу общую массу (вы плюс велосипед и все оборудование), а затем в сочетании с оценками коэффициентов сопротивления качению (Crr) и аэродинамического сопротивления и площади передней поверхности (CdA или площадь сопротивления), которые вы можете рассчитать общая мощность (см., например, здесь). По сути, другие измерители мощности на рынке фокусируются на «уравнении со стороны предложения» путем измерения мощности, подаваемой водителем где-то вдоль трансмиссии; iBike фокусируется на «стороне спроса», измеряя мощность, необходимую для движения велосипеда против ветра, градиента и других сил сопротивления. В нормальных условиях это может быть весьма (возможно, даже удивительно) точным, хотя точность оцениваемой таким образом мощности не так хороша - iBike предполагает, что область аэродинамического сопротивления (или CdA) постоянна, поэтому, если гонщик меняет положение (скажем, переход от капель к верхушкам штанги) или, если скорость ветра отличается из-за изменения угла поворота, оценка мощности будет отключена. В целом, iBike, как показывали, был довольно точным для подъемов на гору; меньше для катания на лыжах или катания в пачке, Таким образом, общая точность будет зависеть от точного сочетания совершенной езды и изменчивости в направлении ветра. Как и в случае старых Polar и Ergomo на основе тензодатчика, iBike не может быть статически проверен на точность или неточность; хуже, и это не может быть проверено на динамической установке в лаборатории, так как это зависит от градиента и скорости ветра. Проверки iBike проводились в полевых условиях, когда гонщики установили другой измеритель мощности на тот же байк и сравнили два потока данных.
Было несколько «одновременных» сравнений точности измерителя мощности, когда один гонщик установил на велосипеде два или более измерителя мощности и продолжал структурированные или неструктурированные поездки. Вы можете увидеть одно такое сравнение "Розеттского камня" здесь и здесь .
В общем, все коммерчески выпущенные измерители мощности были точными (а иногда и точными) при новой настройке и работе в идеальных условиях. Однако условия не всегда идеальны, а детали повреждаются, пачкаются и портятся. Если важны точность и точность, то точность «проектирования» (будь то на основе тензодатчиков, оптических датчиков, магнитных датчиков или датчиков скорости ветра) - это только полдела: не менее важна возможность проверки измерителя мощности в домашних условиях, чтобы вы могли могу сказать, когда они выключены
Мне показалось интересным это изображение первого измерителя мощности SRM :
Рукоятка выполнена в виде рычага (вращается вокруг шпинделя) - чем сильнее вы нажимаете педаль, тем сильнее изгибается тензодатчик , выход 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, измеряя силу (или крутящий момент) и скорость.
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, сколько крутящего момента приложено к кривошипам. Это в сочетании с вашей частотой дает вам выходную мощность (добавьте время, и у вас будет полная работа).
Измеритель мощности на основе ступицы измеряет крутящий момент, приложенный к ступице трансмиссией, и объединяет его с числом оборотов или вращением колеса, чтобы выполнить ту же базовую математическую операцию и рассчитать выходную мощность.
В основном, один измеряет мощность, поступающую в трансмиссию, другой измеряет мощность, выходящую из трансмиссии. Если бы у вас были оба, измеритель мощности концентратора будет показывать немного меньшее количество энергии из-за потери мощности в трансмиссии. Тем не менее, велосипедная трансмиссия очень эффективна (особенно в хорошем состоянии), поэтому я не стал бы беспокоиться об очень маленькой разнице. В некоторой степени это может зависеть от того, заботитесь ли вы больше о выходной мощности или выходной мощности всей системы райдер + велосипед.
Фактический базовый физический механизм, вероятно, представляет собой тензодатчик, состоящий из тонкой проволоки, проходящей зигзагообразно по балке, слегка изгибающейся при приложении силы. Изгиб проводов меняет электрическое сопротивление. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge
Я также слышал о измерителях мощности, которые измеряют силу на педали. Я предполагаю, что им нужно указать длину шатунов. Я также слышал о системах, которые измеряют вибрацию цепи для расчета натяжения цепи, чтобы получить информацию о силе / крутящем моменте для расчета выходной мощности.