Elektronische Grundlagen

From SRM Ergometer Fokus:Diagnostik
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Das Zusammenspiel der elektronischen Bauteile des SRM - Ergometers erlaubt die exakte Leistungssteuerung für leistunsgdiagnostische Untersuchungen und die wissenschaftliche Datenaufnahme.


Der PowerMeter

Das SRM - PowerMeter Wissenschaft
Ablesen Steigung und Seriennummer

Der PowerMeter ist das Herzstück des Ergometers, welches für die Leistungs- und Tretfrequenzmessung (Drehmoment, Winkelgeschwindigkeitsmessung) verantwortlich ist. Dieses Gerät gibt permanent eine Frequenz (500 - 12.000 Hz) proportional zum aktuellen Drehmoment und eine Frequenz proportional zur momentanen Winkelgeschwindigkeit über eine Sendespule auf eine Empfängerspule am Rahmen ab. Dieses Signal ist bereits digital, so dass keine Fehler durch die Übertragung auftreten können. Die Stromversorgung erfolgt über eine Lithiumbatterie, die eine Betriebsdauer von ca. 1.800 Stunden ermöglicht. Nach diesem Zeitraum muss diese von uns gegen eine Neue ersetzt werden.

Aus dem PowerMeter kommt im eingeschalteten aber unbelasteten Zustand (keine Kraft auf der Antriebskette) eine Grundfrequenz, die dem Drehmoment 0 entspricht. Diese Frequenz muss im PowerControl korrekt eingestellt werden, um eine fehlerhafte Leistungsmessung auszuschließen. Bei zu hoch eingestelltem Nullpunkt ist die berechnete Leistung zu gering, bei zu niedrig eingestelltem Wert ist die berechnete Leistung zu hoch.

Dieser ganze Vorgang entspricht in etwa dem der Tarierung einer Waage. Werksseitig wird jeder PowerMeter vor der Auslieferung auf einer Drehmomentenwaage kalibriert, um festzustellen welche Abgabefrequenz dieses Gerät bei welchem Drehmoment liefert. Diese Frequenz wird in Hz / Nm angegeben und als Steigung bezeichnet.

Diese muss ebenfalls einmalig in der SRMWin - Software eingegeben werden. Sie muss aber dann nicht mehr geändert werden, auch nicht, wenn Kurbeln oder Kettenblätter getauscht wurden.






Das PowerControl IV

Das PowerControl IV am Lenker, im Foto abgekürzt als PC
Das PowerControl IV
Rückseite PowerControl IV mit zwei Anschlüssen
Rückseite PowerControl IV mit drei Anschlüssen

Der PowerControl IV übernimmt am Ergometer die Aufbereitung der Messwerte, die Ansteuerung des Netzteiles für die Wirbelstrombremse und die Signalübertragung mittels serieller Schnittstelle auf den PC.

Die Leistung wird im PowerControl folgendermaßen berechnet:

Mittleres Drehmoment über eine Kurbelumdrehung x mittlere Winkelgeschwindigkeit über eine Kurbelumdrehung = durchschnittliche Leistung über eine Kurbelumdrehung.

Diese Mittelwerte werden auf die Zeitbasis 1 Sekunde umgerechnet. Aus diesem Grund liegt der aktuelle Leistungswert immer um ca. 1 Sekunde verzögert vor, da erst nach vollendeter Kurbelumdrehung und abgelaufener Zeitbasis der aktuelle Leistungswert neu berechnet werden kann. Ein Beispiel: Der Proband tritt mit 90 U / min bzw. 1,5 U / s. Die berechnete Leistung ist also in diesem Fall der Mittelwert über 1,5 Kurbelumdrehungen. Um diese Berechnung durchzuführen, muss also immer die nächstfolgende Kurbelumdrehung vollendet sein, um zu wissen, welcher Restwert an Leistung der vorhergehenden Zeitbasis gutgeschrieben werden muss. Grundlage der Leistungsberechnung sind also immer vollständige Tretzyklen, die auf die Zeitbasis umgerechnet werden. Eine gemeinsame Zeitbasis ist notwendig, um alle vier Messwerte (Herzfrequenz, Tretfrequenz, Leistung, Geschwindigkeit) zu synchronisieren. Eine direkte Berechnung auf eine gemeinsame Zeitbasis unabhängig von der Kurbelstellung würde zu einer sehr stark schwankenden Leistungsanzeige am Display führen, da pro Kurbelumdrehung eine sehr starke Drehmomentschwankung und somit Leistungsschwankung auftritt. So schwanken die Leistungswerte je nach Fahrer bei einer mittleren Leistung von etwa 300 Watt zwischen 50 Watt und 500 Watt pro Kurbelumdrehung.

Die Herzfrequenz wird mittels eines nicht codierten POLAR Herzfrequenzsenders erfasst.

Die Stromversorgung des PowerControls erfolgt mittels eingebautem Akku, der bei angeschaltetem Netzteil ständig aufgeladen wird. Für den Einsatz des Powercontrols am stationären Ergometer ist im wesentlichen darauf zu achten, dass Nullstelle und Steigung des PowerControls korrekt eingestellt sind.

Da das PowerControl bei Betrieb automatisch alle Daten speichert, sind auch die Ergometriedaten dort gespeichert. So sind auch die Daten bei einem PC Absturz bei einem Test dort noch vorhanden.

Bitte denken Sie daran diesen Speicher regelmäßig zurückzusetzen (Clear Memory).


Im Folgenden finden Sie ein Flowchart des PCIV:


Alternativer Text

Das Netzteil (PowerSupply)

Das Netzteil mit leuchtender grüner Lampe

Das Netzteil wurde speziell zur Ansteuerung der Wirbelstrombremse entwickelt. Es ist in der Lage das Magnetfeld in der Wirbelstrombremse sehr schnell auf und abzubauen, um z.B. im isokinetischen Betriebsmodus eine konstante Drehzahl zu gewährleisten. Im isokinetischen Modus ist es notwendig, dass die Bremsleistung bei senkrechter Kurbelstellung fast auf Null zurückgefahren werden muss. Bei waagerechter Stellung hingegen muss es kurzzeitig bis zu 4000 Watt abgebremst werden, um die Solldrehzahl nicht zu überschreiten. Das bedeutet, dass bei einer Tretfrequenz von 120 U / min das Magnetfeld 4x pro Sekunde auf- und abgebaut werden muss.

Das Netzteil benötigt eine Betriebswechselspannung von 220 Volt. Beide Phasen des Netzteiles sind durch 250 Volt, 1.3 A träge Sicherungen abgesichert.

Die Netzsteckerdose, in die der Netzgerätestecker gesteckt wird, muss geerdet sein, um den Athleten vor elektrostatischer Aufladung zu schützen. Bei Betrieb ohne Erdung kann durch die elektrostatische Aufladung ein Gesundheitsrisiko für den Sportler oder Arzt bestehen, wenn dieser während des Testes mit dem Ergometer oder Sportler in Berührung kommt. Außerdem können bei EKG Ableitungen Fehlmessungen auftreten, wenn das EKG - Gerät und das Ergometer nicht auf der gleichen Erdung liegen.

Der Betriebsmodus des Netzteiles wird durch die grüne LED angezeigt, die Regelaktivität durch die gelbe LED. Die gelbe LED muss beim isokinetischen Betrieb blinken.

Das Netzteil muss so aufgestellt werden, dass es beim Betrieb nicht nass wird, z.B. durch Sportlerschweiß, aber trotzdem durch die umgebende Luft gekühlt wird. Es sollte nicht in einem abgekapselten Gehäuse, z.B. Schrank, untergebracht sein.

Die Ausgangsspannung des Netzteiles für die Wirbelstrombremse des Ergometers beträgt + / - 24 Volt. Das Netzteil versorgt gleichzeitig das PowerControl mit dem notwendigen Ladestrom. Falls das Netzteil über einen längeren Zeitraum z. B. 3 Monate nicht im Einsatz ist, besteht die Gefahr, dass das PowerControl durch Selbstentladung seine Betriebsparameter verliert. Das PowerControl muss dann vor dem nächsten Einsatz mit der SRMWin - Software neu programmiert und die richtige Steigung, Nullstelle, Radumfang 1000mm und Datum und Uhrzeit eingestellt werden.

Das Netzteil benötigt keinerlei Wartung. Verunreinigungen sollten nur mit einem trockenen oder leicht feuchten Tuch entfernt werden. Es darf auf keinen Fall Feuchtigkeit in das Innere des Netzteiles gelangen.

Die Lichtschranke

Die Lichtschranke misst an der so genannten Unterbrecherscheibe die Geschwindigkeit (Speed) der Schwungmassen. Sie ist für die Berechnung der Leitung obligatorisch. Wird Speed nicht oder korrekt gemessen wird die Leistung nicht korekt gemessen. Die angezeigten Speedwerte in der SRMWin-Software - z.B. während eines Leistungstests - entsprechen keinen realen Geschwindigkeitswerten.

In den folgenden Abbildungen ist die Position der Lichtschranke im Getriebe zu erkennen. Um die Lichtschranke zu reinigen oder in Ihrere Position zu verändern müssen die Schwungmassen abgenommen werden.



Messbereiche

Die folgenden Messbereiche können mit dem Ergometer erfasst werden:

  • Tretfrequenz (Cadence): 20 - 250 [U/min]
  • Frequenzbereich: max. 12.000 [Hz]
  • Leistung (Power): von ca. 50 [W] (Grundreibung) bis ca. max. 4096 [W]
  • Drehmoment (Torque): max. ca. 460 [Nm], Beipielrechnung: (12.000 [Hz] - 500 [Hz] Zero-Offset) / 25 [Hz] Slope = 460 [Nm]