Medidores de Potencia: Calibración y Puesta a Cero

Frecuentemente los usuarios de medidores de potencia se preguntan si los datos que les brinda el dispositivo son correctos o no, en muchos casos las dudas surgen al comparar los diferentes valores que se observan en diferentes ciclistas aún yendo a la misma velocidad en el mismo circuito o para el mismo ciclista en diferentes condiciones. En esta nota discutiremos porque es importante la exactitud de la medición y de que manera podemos verificar si el nuestro funciona correctamente o no analizando un caso práctico con el PowerTap de la empresa Saris.

El problema

La relación entre la potencia y la velocidad en el ciclismo es compleja y depende de muchos factores ambientales como la dirección e intensidad del viento y la temperatura, del recorrido como la inclinación y características de la superficie, de las características aerodinámicas y el peso del equipamiento, de la posición, peso y tamaño corporal del ciclista, entre otros.

Esta complejidad, que ya hemos analizado detalladamente en notas anteriores (ver Potencia y Aerodinámica en el Ciclismo) dificulta notablemente la verificación de los datos del medidor de potencia en condiciones normales de uso y tiende a generar dudas entre los usuarios.

Precisión y Exactitud

Un medidor de potencia es, como su nombre lo indica, un instrumento de medición y como tal podemos analizar su precisión y su exactitud.

La precisión se refiere a que tan "repetibles" son los valores medidos, es decir que tan parecidos entre sí son los valores medidos cuando las condiciones son idénticas.

La exactitud se refiere a que tan parecidos, en promedio, son los valores medidos a los valores que mediría un instrumento patrón, es decir que tan parecidos son a los valores "reales".

El siguiente gráfico ilustra la diferencia entre ambos conceptos:

Obviamente la precisión es una característica muy importante de un instrumento de medición y está fundamentalmente ligado a su calidad pero la exactitud también es muy importante y requiere una adecuada calibración.

Importancia de la Exactitud

En el ámbito de los medidores de potencia hay quienes argumentan que la exactitud no es imprescindible en la medida que el medidor tenga una buena precisión, es decir que sus valores sean repetibles en similares condiciones, la idea es que a los efectos de la evaluación y el control de los entrenamientos no son tan importantes los valores exactos sino el hecho que sean repetibles. 

Si bien esto tiene algún sentido existen aplicaciones del medidor de potencia (como la determinación del coeficiente aerodinámico y de resistencia a la rodadura mediante pruebas de campo) que requieren exactitud además de precisión.

Aún para la evaluación y control del entrenamiento la exactitud también es importante cuando nos interesa comparar valores con los de otros atletas o del mismo atleta si en el futuro cambia a otra marca o modelo de medidor de potencia.

Los medidores de potencia de mayor difusión (SRM, PowerTap y Quark) tienen una exactitud especificada de +/- 1,5%, es decir que si en condiciones operativas la potencia real es de 300watts el valor leído no debería superar los 305watts ni ser inferior a 295watts. Esta característica puede ser verificada por el usuario en estos medidores y los diferencia claramente de otros que no permiten esta posibilidad (Polar Power Output, Ergomo e iBike entre otros).

Puesta a Cero

La puesta a cero es un concepto sencillo: si no hay carga aplicada el medidor debería indicar cero.

La puesta a cero es automática en algunos casos como el PowerTap que se pone a cero cada vez que dejamos de pedalear o Quark que se pone a cero al pedalear en reversa, esta característica es importante porque la puesta a cero depende en alguna medida de la temperatura ambiente.

Habitualmente la puesta a cero automática tiene un rango restringido de operación y cuando las diferencias son demasiado grandes es necesario hacer una puesta a cero manual, por ejemplo en el caso del powertap con el cabezal básico (Cervo) el procedimiento consiste en realizar los siguientes pasos sin carga aplicada a los pedales:

1. Desplazar el cursor a la fila superior con el botón izq (mode)
2. Mantener oprimido el botón derecho (select) hasta que la palabra watts titile
3. Si el valor que se observa en esa fila es distinto de cero mantener el botón derecho (select) oprimido hasta que pase a ser cero.
4. Tocar una vez más el botón derecho (select) para volver al modo normal (watts no titila).

Si se utiliza el nuevo Joule la opción está en el menú de los sensores como puesta a cero manual, en el caso de los Garmin (310xt, 500, 705, 800) este procedimiento de puesta a cero figura en el manual como "calibración", discutible elección del término ya que calibración es otra cosa y la "calibración" de Garmin solo nos asegura que se muestre cero cuando la potencia es cero, no que el medidor esté realmente calibrado. Por ejemplo en el Garmin 500:
Menu -> Settings -> Bike Settings -> Bike 1 -> ANT+ Power -> Calibrate

 Al finalizar muestra el mensaje de calibración exitosa, con un nuevo valor de puesta a cero (current calibration):

El último campo que ha sido agregado en las últimas versiones es la lectura de torque en Nm, esto permite realizar la verificación de calibración que veremos a continuación cambiando las unidades (1 libra por pulgada = 0,113 Nm).

Calibración

La calibración es un concepto más amplio y se refiere a la posibilidad de ajustar, o al menos verificar, el medidor de potencia para que se ajuste a la realidad, dentro del margen de error del instrumento. Es decir que la calibración no afecta la precisión pero sí la exactitud de la medición.

Los medidores de SRM y Quark permiten verificar y ajustar la calibración, en el caso de PowerTap solo es posible la verificación y, si el instrumento está descalibrado, es necesario enviarlo a fábrica para su corrección, a favor de Saris puede decirse que es bastante raro que un PowerTap esté realmente descalibrado, generalmente miden bien y cuando no lo hacen no suele ser problema de calibración sino directamente una falla que requiere enviarlo al servicio técnico, una manera de comprobar si se trata de este último caso es realizar el Test #3 y verificar que el valor de la linea inferior esté en el rango 512(+/-12).

La idea básica del procedimiento de calibración es que la potencia es el producto del torque (fuerza aplicada multiplicada por el brazo de palanca) por la velocidad angular de rotación (cadencia en SRM y Quark que miden en las palancas, velocidad de giro de la rueda en el PowerTap que mide en la maza trasera), cuando las palancas están detenidas la potencia es cero pero el torque (o par) medido se puede comparar con un torque aplicado conocido.

Verificación de la Calibración del PowerTap con Cervo

Como aplicación práctica realizaremos la verificación de un PowerTap modelo SL 2.4 del año 2007 con unos 36000km de uso, el procedimiento consiste en aplicar un torque o par conocido a las palancas y comparar su valor con lo que mide el PowerTap.

Para esto necesitamos poner al Cervo en "modo torque", en este modo en lugar de mostrar watts en la fila superior muestra torque (en libras por pulgada), el procedimiento es el que comentamos más arriba para la puesta a cero: cuando la palabra watts titila el valor que muestra es el torque y por eso debería ser cero cuando no hay carga aplicada.

El procedimiento se denomina en inglés "Stomp Test" porque se podría hacer parándose en un pedal con la rueda frenada y las palancas horizontales, en la práctica esto es demasiado impreciso porque es muy difícil hacer equilibrio sin alterar el peso aplicado, en nuestro caso como carga conocida utilizaremos un disco olímpico de 45 libras, el hecho que los pedales sean SpeedPlay lo facilita porque el disco se puede colgar directamente del eje del pedal, con otros pedales es necesario colgarlo de alguna manera.

Como se puede observar en la foto haber colocado la bici en un rodillo fijo (en este caso un CompuTrainer pero puede ser cualquiera porque solo estamos usando el caballete) permite mover la rueda hacia atrás hasta que la palanca quede horizontal y luego se la mantiene fija con el freno trasero:

En estas condiciones el torque aplicado al eje de la rueda trasera, que es lo que está midiendo el PowerTap cuando está en modo torque se puede calcular como el producto del peso aplicado por el largo de las palancas (torque en el eje de la caja pedalera) trasladado por la multiplicación al eje de la maza:

Torque Aplicado = Peso (en libras) * Largo de palanca (en pulgadas) * (dientes del piñon) / (dientes del plato)

Utilizando diferentes multiplicaciones se pueden aplicar diferentes cargas al eje de la maza aún cuando utilicemos siempre el mismo peso en la palanca, en la siguiente tabla se puede observar un ejemplo práctico donde el torque aplicado está calculado con la fórmula anterior y el torque medido es lo que muestra el Cervo en la fila superior estando en modo torque, el error es la diferencia porcentual entre ambos:

Como puede observarse en este caso el error promedio es prácticamente cero, es decir la exactitud es muy buena y refleja una adecuada calibración, por otro lado en todos los casos, salvo en el último, el error está dentro del márgen de +/- 1,5% con un error absoluto promedio de 0,67%.

En la siguiente gráfica realizamos una regresión lineal para mostrar la linealidad de la medición que es realmente buena:

Como dato curioso al realizar las mediciones el error promedio era cercano al 1% por demás tomando el valor nominal del disco olímpico (45 libras), pero al pesar el disco olímpico en una balanza electrónica descubrí que este pesaba unos 200g más que su valor nominal, al hacer la corrección el error promedio se redujo prácticamente a cero.

En la siguiente planilla están los datos del ejemplo: Calibración PowerTap, si quieren utilizarla para sus propias pruebas sin necesidad de hacer los cálculos pueden hacer una copia y modificarla.

Conclusiones

La precisión es una característica intrínseca al medidor de potencia y es uno de los factores más importantes a tener en cuenta a la hora de elegir uno, la exactitud depende de que el medidor esté correctamente calibrado.

La posibilidad de verificar en forma estática la calibración es una característica muy importante de un medidor de potencia, los productos con mejor reputación (SRM, PowerTap, Quark) permiten que el propio usuario realice la verificación a diferencia de otros menos precisos (Ergomo, Polar, IBike) en los que esta verificación no es posible y la única alternativa es el contraste dinámico contra otro medidor de potencia, esto es una limitación importante y algo a tener en cuenta en la evaluación de los nuevos modelos que están siendo anunciados.

En el caso de los PowerTap la calibración se realiza en fábrica y generalmente es correcta en la medida que el medidor esté funcionando dentro de las especificaciones de fábrica (el test #3 permite verificar esta condición) pero existe la posibilidad de verificarla con el procedimiento comentado y puede ser recomendable hacerlo si uno tiene dudas.

En el caso de los medidores SRM y Quark la calibración puede depender de los platos utilizados y del ajuste de los mismos de manera que es necesario verificar la calibración si se realizan modificaciones a la configuración recibida de fábrica, en caso de diferir existe la posibilidad de ajustarla (consultar la documentación técnica del producto correspondiente para ver el procedimiento detallado en cada caso).

Agradezco a Gabriela Arnejo y Olimpo Spa el préstamo del disco olímpico.