Как работают счетчики мощности велосипедов?

На рынке существует несколько различных типов счетчиков электроэнергии, и каждый из них измеряет что-то немного другое, чтобы сделать свои оценки. Кроме того, то, как они измеряют то, что они измеряют, влияет на их точность. Ниже я расскажу, что измеряют основные модели, как они это измеряют, и как это влияет на точность.

Power - это скорость работы (так что вам нужно знать объем работы и промежуток времени, в течение которого эта работа выполняется), а работа - это сила, прилагаемая на расстоянии, так что у каждого измерителя мощности есть свой способ измерения этих сил, и из-за патентов каждый из них выбрал для измерения их в своем “месте”. “

За исключением iBike, большинство измерителей мощности измеряют силы где-то вдоль трансмиссии: Работая сзади на переднюю часть, PowerTap (и старый Look MaxOne) измеряет в задней втулке, старые полярные системы, измеряемые вдоль цепи, Quarq, SRM, Rotor и Power2Max - в пауке переднего кольца цепи, новые Look/Polar и Garmin Metrigear (до сих пор анонсированные, но не выпущенные) - в шпинделе педали, Brim Brothers (анонсированные, но не выпущенные) - в башмачке, Ergomo - в нижнем кронштейне, Stages - в левом кривошипном узле. iBike измеряет совершенно по-другому, о чем мы поговорим ниже. Одним из следствий измерений в различных точках вдоль трансмиссии является то, что потери трансмиссии будут (или не будут) учитываться в различной степени; например, PowerTap обычно считывает ниже, чем SRM, так как один из них является "восходящим” по отношению к большинству потерь трансмиссии, в то время как другой - “нисходящим”. Эта разница является скорее вопросом дефиниции, чем вопросом строгой “точности” (в смысле, “является ли валовой или чистый доход более "точным” измерением дохода?“).

Большинство имеющихся на рынке счетчиков мощности используют тензодатчики, которые представляют собой небольшие тонкие полоски фольги, электрическая проводимость и сопротивление которых изменяется по мере их деформации. Тензопреобразователи используются во многих областях (например, в мостах), и их свойства хорошо понятны. В целом, тензодатчики объединяются в "розетку” или “мост из пшеничного камня” в целях получения более точных и точных результатов (больше тензодатчиков, как правило, дают лучшие результаты), и, при правильной работе Power Tap, Quarq, и SRM, как правило, с точностью до пары процентов (и, что не менее важно, с высокой точностью); это было проверено как статически (с использованием известных весов висит на кривошипной рукоятке), так и динамически (с использованием большого барабана с питанием от электросети в лаборатории). Затем усилия объединяются с измерением угловой скорости или скорости для получения мощности. Сила тензодатчиков заключается в том, что изменение сопротивления может быть измерено даже при неподвижном устройстве, поэтому велосипедист может измерить точность тензодатчиков в домашних условиях, подвешивая на кривошипном механизме грузы известной массы. Однако общая проблема с тензодатчиками заключается в том, что они могут быть чувствительны к изменениям температуры и поэтому должны быть “обнулены” до (а иногда и во время) поездки. Старая ахиллесовая пятка Look MaxOne была водонепроницаемой, а не тензодатчиком или методом измерения. Например, оригинальная модель Power2Max (и старая прекращенная SRM “любительская” модель) использует меньшее количество тензодатчиков, чем текущие модели PowerTap, Quarq или SRM, и отчеты пользователей (впоследствии признанные производителем) показали, что она более чувствительна к температурному дрейфу во время езды, чем другие. Модель Power2Max была перепроектирована и обновлена в конце 2012 года, и, согласно отчетам, проблема температуры была в значительной степени решена. Заявленная особенность Стадий состоит в том, что они спроектированы вокруг автоматической температурной компенсации  по состоянию на начало 2013 года эта претензия все еще оценивается пользователями, и еще слишком рано знать, делает ли их подход то, что он утверждает.

Старый полярный измеритель мощности измерял силу, передаваемую по цепи, по натяжению цепи, и включал в себя датчик скорости цепи, чтобы получить полную работу. В цепи большая сила, передаваемая по цепи, приводит к большему натяжению, а натяжение может быть измерено резонансной частотой объекта (например, выщипывание сильно натянутой спицы ногтя вызывает высокочастотный тон, в то время как выщипывание свободной спицы вызывает низкий тон). Исторически сложилось так, что прототипом датчика натяжения цепи Polar был пикап от электрогитары. Датчик скорости цепочки помещался на одном из колес жокея переключателя и мог подсчитывать “импульсы” в магнитном поле при прохождении заклепок цепи; так как заклепки цепи находятся на известном расстоянии друг от друга, скорость цепи можно было легко рассчитать. Что касается точности, то когда полярник работал хорошо, он был очень хорош; однако, когда он не был очень непослушным, он действительно был очень непослушным. Хуже того, часто было трудно определить, когда это было непослушно. Падение старого измерителя мощности Polar было трехкратным: 1) Датчик натяжения цепи должен был быть близко к цепи, что было трудно достичь, так как цепь иногда должна была быть в большом или маленьком кольце цепи или в большой или маленькой задней шестерне; 2) датчик скорости цепи иногда перегружался и давал ложные показания скорости; и 3) неполная погодостойкость частично из-за открытых проводов и плохо герметизированной “капсулы”.

Измеритель мощности на базе нижнего кронштейна Ergomo использовал оптический датчик и серию “подглядывающих отверстий” для измерения кручения в нижнем кронштейне. Странной особенностью этой конструкции является то, что он мог измерять только (крутильную) силу, проходящую через нижний кронштейн; таким образом, он измерял только мощность, вносимую левой ногой: для получения общей мощности он удвоил вклад левой ногой. В сочетании со сложностью установки и калибровки Эргомо (он должен был быть установлен точно так), эта зависимость от двусторонней симметрии между ногами стала для Эргомо смертельным козырьком. Измеритель мощности ступеней аналогичным образом измеряет силу путем деформации в левой рукоятке, и удваивает “левую”, чтобы получить оценку общей мощности. Исследования с инструментированными силовыми педалями показывают, что двусторонняя асимметрия в выработке мощности между правой и левой ногами является нормой  - хуже того, исследования показывают, что асимметрия может изменяться с уровнем усилий. Однако, некоторые велосипедисты готовы принять эту присущую им неточность и неточность.

Поскольку ни старые приборы измерения мощности Polar, ни приборы Ergomo не использовали тензодатчики, их точность и аккуратность не могли быть статистически проверены в поле велосипедистом; их можно было проверить только динамически (или с помощью анотермического измерителя мощности, известного по калибровке).

Неизданные измерители мощности Garmin Metrigear и Brim Brothers на педалях или бутсах по слухам используют пьезоэлектрические датчики и твердотельные акселерометры, а не тензодатчики из фольги, но до тех пор, пока они не выйдут на рынок, все претензии к точности или аккуратности должны приниматься с зернами соли. Интересная проблема в конструкции измерителя мощности на основе педали или шиповника заключается в том, что необходимо знать направление силы и положение шпинделя педали: например, если добавить силу вниз в нижней части хода педали, то это будет напрасной тратой силы, так как это не поможет движению кривошипа в правильном направлении; также, если нажать вниз (пусть даже слегка) на верхний ход, то это снимет часть силы, прилагаемой другой ногой к нижнему ходу педали. Таким образом, отслеживание различных векторов силы является ключом к получению надежной точности и аккуратности. В некоторой степени измеритель мощности ступени иногда может быть подвержен и связанной с этим проблеме: для определения положения ступени используется полупроводниковый акселерометр на педали (аналогично полупроводниковым акселерометрам, которые можно найти в смартфонах). Ранние серийные модели Этапов были поражены неточными измерениями положения педали, поэтому скорость педали также была неточной - и это повлияло на точность окончательной оценки мощности.

Недавно выпущенный (по состоянию на январь 2012 года) Измеритель Look/Polar power meter использует тензодатчики, расположенные вдоль шпинделя педали, и каждая педаль должна быть тщательно установлена, чтобы педали знали, в каком направлении прилагаются усилия - специальный инструмент поставляется вместе с педалями, чтобы помочь с ориентацией. Для упрощения преобразования измеряемых усилий в значения крутящего момента, педаль Look/Polar позволяет использовать только четыре варианта длины кривошипов: 170 мм, 172,5 мм, 175 мм и 177,5 мм. Кривошипные рукоятки длиной менее 170 мм в настоящее время не поддерживаются. Одна педаль является “ведущей”, а другая - “ведомой”; педаль “ведомого” передает информацию “ведущему”, который затем связывает данные с обеих педалей и направляет их в головной блок. В настоящее время для обеспечения совместимости головных устройств Look/Polar педаль использует собственный протокол передачи, и ни один другой изготовитель еще не подписал этот протокол. Ранние сообщения о новых педалях Look подтверждают, что ориентация педалей является критической: поскольку шпиндель педали небольшой, небольшая абсолютная погрешность выравнивания может быть большой относительной погрешностью в угловой ориентации.

iBike использует совершенно другой подход: он косвенно вычисляет мощность. То есть для преодоления изменений потенциальной энергии (подъема или спуска), для изменения кинетической энергии (ускорения или замедления), для преодоления аэродинамического сопротивления (в том числе ветра) и сопротивления качению, необходимо определенное количество мощности, если вы знаете скорость движения, градиент, скорость ветра, общая масса (вы плюс велосипед и все оборудование), а затем в сочетании с оценкой коэффициентов сопротивления качению (Crr) и аэродинамического сопротивления и площади передней поверхности (CdA или площадь сопротивления) можно рассчитать общую мощность (см., например, здесь ). В сущности, другие измерители мощности на рынке фокусируются на “уравнении стороны предложения”, измеряя мощность, поставляемую всадником где-то вдоль трансмиссии; iBike фокусируется на “стороне спроса”, измеряяя мощность потребовали переместить велосипед против ветра, уклона и других сил сопротивления. В нормальных условиях это может быть вполне (возможно, даже удивительно) точным, хотя точность оценки мощности таким образом не так хороша - iBike предполагает, что зона аэродинамического сопротивления (также известная как CdA) постоянна, поэтому, если всадник меняет положение (скажем, перемещается от капель к вершинам штанги) или если скорость ветра отличается из-за изменения угла рыскания, оценка мощности будет отключена. В целом, было показано, что iBike достаточно точен для подъема на холмы; менее точен - для скатывания с трассы или езды в пачке, поэтому общая точность будет зависеть от точного сочетания езды и вариабельности в направлении ветра. Как и в случае со старыми мачтами Polar и Ergomo, iBike нельзя статически проверить на точность; что еще хуже, его также нельзя проверить на динамической установке в лаборатории, так как он зависит от уклона и скорости ветра. Проверки iBike проводились в полевых условиях, когда всадники устанавливали на тот же мотоцикл еще один измеритель мощности и сравнивали два потока данных.

Было проведено несколько “одновременных” сравнений точности измерителя мощности, когда один всадник устанавливал на мотоцикле два или более измерителя мощности и ездил на структурированной или неструктурированной езде. Вы можете увидеть одно такое сравнение “Rosetta Stone” здесь и здесь .

В общем, все коммерчески выпускаемые измерители мощности были точными (а иногда и точными) при новой настройке и работе в идеальных условиях. Однако, условия не всегда идеальны, а детали повреждаются, загрязняются и портится. Если важны точность и аккуратность, то “проектная” точность (будь то тензодатчики, оптические датчики, магнитные датчики или датчики скорости ветра) - это только половина битвы: не менее важна и возможность проверки измерителя мощности дома, чтобы можно было определить, когда он выключен.