Comparar el DHT22, el DHT11 y el Sensirion SHT71

Introducción

Mis resultados publicados anteriormente comparaban seis higrómetros AM2302 (también conocidos como DHT22, RHT03 y utilizo los nombres de forma intercambiable en todo momento). Aquí repito ese experimento utilizando los mismos aparatos y técnicas, pero sustituyendo dos de los sensores por modelos alternativos, un DHT11 y un Sensirion SHT71. Los objetivos del trabajo anterior eran establecer si un sensor tan barato como el AM2302/DHT22 podía estar a la altura de su supuesta precisión. Mi conclusión fue que, en mis experimentos, no lo hacían, pero sí ofrecían un rendimiento sorprendentemente bueno y una muy buena relación calidad-precio para la mayoría de los proyectos domésticos de bricolaje que no son críticos para la seguridad. La siguiente pregunta obvia es si mis pruebas demostrarían que un dispositivo más caro es mejor. Ya que estaba repitiendo el experimento, también incluí el aún más barato y de menor especificación DHT11.

Las hojas de datos de los dispositivos DHT11 y DHT22 suelen ser breves. Los números de la siguiente tabla aparecen en las hojas de datos y suelen ser citados por los minoristas. La hoja de datos de Sensirion, por el contrario, es detallada y exhaustiva y proporciona la precisión en función de la humedad, así como detalles de los procedimientos de calibración y linealización recomendados. Nótese que las afirmaciones de Sensirion sobre la precisión absoluta son menos estrictas y más creíbles que las que normalmente se citan para los dispositivos DHT.

Actualización: Desde que se escribió esta página ha aparecido recientemente una hoja de datos muy mejorada que contiene traducciones más claras al inglés y especificaciones y gráficos más detallados. Sigue afirmando una precisión típica de ±2%, pero ahora muestra que la precisión se reduce a ±5% en los dos límites extremos, <10% y >90%

Medir la humedad relativa de forma precisa y repetible es notoriamente complicado. Los procedimientos utilizados aquí se desarrollaron durante un período de aproximadamente un año y se detallan en mi página de calibración del DHT22/AM2302. No soy un experto en higrómetros. Simplemente ideé el mejor experimento que pude basándome en la lectura de varios artículos sobre el tema y utilizando algunos elementos de equipamiento doméstico que tenía por ahí.

Los dispositivos y aparatos de prueba

Los dispositivos AM2302/DHT22 son las mismas unidades que utilicé anteriormente. Son A,B,D,E y F de mi anterior escrito. Aunque se mencionan cinco, sólo cuatro estaban bajo prueba en un momento dado. El sensor B falló durante el experimento y fue sustituido por el E. He añadido un DHT11 y un Sensirion SHT71.

La configuración del aparato es la descrita anteriormente. Todos los sensores fueron alimentados por una fuente de alimentación conmutada de 5V d.c. Fue necesario añadir un nuevo software al microcontrolador para leer el dispositivo Sensirion y se basó en la biblioteca Sensirion Arduino de Markus Schatzl y Carl Jackson.

Las fuentes de calibración de referencia también siguen siendo las mismas, once soluciones salinas saturadas y agua destilada. Los datos se recogieron de manera similar a la anterior, dejando que los sensores se estabilizaran durante unas horas con cada solución.

Calidad de construcción

A más de diez veces el precio, el SHT71 es sorprendentemente muy superior a los demás. Es más pequeño y se siente más sólido. Las clavijas de aleación de Cu/Be chapadas en oro son muy robustas en comparación con el DHT22, en el que las clavijas parecen estar hechas de papel de aluminio grueso. Hay que tener en cuenta que el SHT71 tiene pines de separación de 1,27 mm, lo que hace que sea menos fácil de conectar a los Arduinos de 2,54 mm de los aficionados y a las placas de pan. Yo monté el mío en un bloque de cabecera de 2,54mm para facilitar su manejo.

Figura 1. Comparación del embalaje del SHT71 con el del AM2302. El DHT11 tiene un aspecto similar al AM2302. Aunque es algo más pequeño, también tiene pines de separación de 0,1″. El SHT71 tiene clavijas de separación de 0,05″.

Velocidad de respuesta

El SHT71 fue el que más rápido respondió a los cambios, registrando un cambio en pocos segundos. El DHT22/AM2302 parece tardar unos 30 segundos y el DHT11 puede tardar un par de minutos. Sin embargo, el DHT22 almacena en caché una lectura en la memoria y la devuelve cada vez que se solicita un valor. Dado que sólo estoy muestreando cada 30seg, los valores del DHT22 son siempre de 30segago por lo que el cambio de paso en la Figura 2 se retrasa 30seg detrás del SHT71.

Todos los sensores (incluyendo el SHT71) pueden tardar varias horas en estabilizarse completamente a altas humedades. Aunque parte de esto puede ser el dispositivo, sospecho que realmente toma varias horas para equilibrar y saturar el aire dentro del frasco después de un intercambio. Aun así, el hecho relativo de que el SHT71 sea el más rápido y el DHT11 el más lento es obviamente real ya que todos ellos están midiendo el mismo aire.

Figura 2. Un ejemplo típico de las mediciones de humedad a medida que se cambia la solución de la muestra. Los valores de salida del SHT71 responden consistentemente en la primera lectura después del cambio y muestra un cambio de paso abrupto. El DHT22s responde típicamente una muestra más tarde porque devuelve las mediciones en caché, no las nuevas. El DHT11 muestra algún tipo de respuesta con un minuto o dos, pero puede tardar en derivar gradualmente hacia la nueva medición.

Resultados

Parte 1: En función de la humedad

Primero observamos la respuesta variable del sensor a diferentes humedades de referencia, todas ellas medidas a una misma temperatura fija.

Figura 3. Gráficos de los valores leídos del higrómetro frente a la humedad de referencia conocida. Se muestran tres épocas. El verde es la serie 1 de mayo de 2014. Los azules son la ejecución 2 de agosto de 2014 y se dividen en cian para aquellos datos que se sabe que están corrompidos por el autocalentamiento B y azul oscuro para los datos que se cree que son buenos. Los rojos son la ejecución 3 de noviembre de 2014.

Figura 4. Los mismos datos de la Figura 3 con los mismos ajustes polinómicos cuadráticos se vuelven a trazar pero el eje vertical es ahora la diferencia entre los valores medidos y los de referencia. Estos gráficos presentan el error que resultaría de utilizar los valores calibrados de fábrica. En el caso de DHT11 y DHT22, estos valores se leen directamente del sensor sin necesidad de recalibración. Para el SHT71 estos valores han sido corregidos por la temperatura y linealizados usando los parámetros por defecto de la hoja de datos del fabricante. Se muestran tres épocas. El verde es la ejecución 1 de mayo de 2014. Los azules son la ejecución 2 de agosto de 2014 y se dividen en cian para los datos que se sabe que están corrompidos por el autocalentamiento B y azul oscuro para los datos que se consideran buenos. El rojo es la ejecución 3 de noviembre de 2014. El área sombreada en gris es la especificación de las hojas de datos.

Sensirion SHT71

Este es el mejor de los sensores. Es el más lineal, el más estable en el tiempo y podría decirse que es el que tiene las menores desviaciones absolutas, aunque si se escoge el mejor de los DHT22, son comparables. Puede justificar su costo si usted tiene una necesidad de que la precisión adicional, y sobre todo la fiabilidad. Para la mayoría de los propósitos diarios, los otros sensores son probablemente adecuados, excepto por la gran inconsistencia causada por el autocalentamiento del sensor B. La repetibilidad y la consistencia es donde el SHT71 parece ganar fácilmente. Las tolerancias de fabricación más finas y el control de calidad son presumiblemente lo que se está pagando con los dispositivos más caros. La dispersión RMS alrededor de la línea de ajuste es del 2%RH, pero esto es sólo una estimación de la precisión global si se aplica la curva de corrección y mientras esa curva de corrección permanezca inalterada. Tenga en cuenta que esa dispersión del 2%RH incluye errores sistemáticos en mi aparato, así como errores de medición en los sensores. La verdadera humedad generada por cada solución sólo se conoce hasta un 2%RH aproximadamente. Por ejemplo, todos los sensores dan un 1-2% de lecturas más bajas de lo esperado para el nitrato de amonio a 22°C, lo que sugiere que son los datos de referencia que estoy utilizando los que están en error y no los sensores. Sin mi propia curva de corrección, los errores del sensor después de aplicar la calibración por defecto del fabricante de la hoja de datos son de hasta un 5%. Todos mis puntos de datos permanecen casi dentro de la zona sombreada de la especificación del fabricante.

DHT11

Como se especifica en la hoja de datos, este dispositivo no es útil por debajo del 20% o por encima del 90%, pero entonces en términos de comodidad física, cualquier cosa por encima del 90% de humedad se siente igual, es decir, húmedo. Del mismo modo, por debajo del 20% mis labios empiezan a agrietarse, así que para muchos usos la diferencia entre el 5% y el 15% puede no ser importante. La repetibilidad (dispersión de los puntos de datos) es notablemente peor que la de todos los demás sensores (±5%), pero dentro de su rango válido (20 < %RH < 90) su calibración absoluta es casi tan buena como la de los DHT22. Estos datos no justifican una curva de calibración, aunque un desplazamiento constante de aproximadamente el 4% parece mejorar la precisión de la lectura. Si el autocalentamiento del sensor B afectara al DH11 adyacente, el desplazamiento necesario podría ser ligeramente mayor. Se inició una ejecución de datos sin el autocalentamiento de B, pero se abandonó cuando decidí no seguir utilizando este dispositivo.

DHT22 / AM2302

Sensor A Ignorando la ejecución 2 que fue corrompida por el sensor B defectuoso, este dispositivo parecía bueno hasta justo antes del final del experimento cuando se convirtió en el segundo de los seis DHT22s en fallar. Cuando funcionaba, leía constantemente un 2% de alto.
El sensor B es muy problemático. Durante la segunda serie de datos, el dispositivo estaba defectuoso y se calentaba. El calor también estaba influyendo en su propio entorno local por lo que tiene poco uso como una medida de las condiciones ambientales circundantes. Incluso cuando no se autocalienta en el tercer ciclo, su comportamiento parece haber cambiado en cierta medida. Este dispositivo ha sido desechado.
Sensor C Sólo se probó una vez durante la cual sus resultados fueron notablemente similares a los del SHT71.
Sensor D ha cambiado más de lo que permite la especificación, pero sigue siendo tolerable con un error del 5% más o menos. Sus cambios no se explican por el calentamiento local del sensor B. La aplicación de cualquiera de las curvas de corrección mejoraría las otras mediciones por lo que está mostrando cierta consistencia, pero ha cambiado claramente.
El sensor E se ve bien. La divergencia al 100% podría ser sólo un par de errores de registro de datos en la ejecución 1 y si se ignoran se ha mantenido muy consistente.
El sensor F ha cambiado poco entre las mediciones. Desafortunadamente tiene la curva más agresiva de todas las curvas de calibración, pero al menos se ha mantenido razonablemente constante. Si aplicara una curva de corrección derivada de los datos antiguos, seguiría siendo válida ahora.

Parte 2: En función de la temperatura

Las mediciones anteriores se realizaron a temperaturas fijas (30°C y 22°C). A continuación, veremos cómo reaccionan los sensores en el rango de 10-40 °C. Hay que desentrañar dos efectos. Queremos medir si la respuesta de los sensores cambia con la temperatura, pero sabemos que la humedad generada por las soluciones es en sí misma sensible a la temperatura. Por tanto, los «valores de referencia» ya no son constantes fijas, sino pendientes dependientes de la temperatura. Los sensores DHT22 A,D,E,F, el DHT11 y el SHT71 se probaron con todas las soluciones saturadas y en las figuras 5, 6 y 7 se presentan los gráficos de tres de ellos. Los compuestos seleccionados para su inclusión aquí son:

• NaCl porque es, con mucho, el más estudiado y bien calibrado de nuestro conjunto y también porque tiene la dependencia más débil de la temperatura. Para este caso especial apenas necesitamos trazar una pendiente. La humedad es un 75% fijo en todo nuestro rango de temperatura.
• NH4NO3 porque es el único compuesto incluido con un coeficiente de temperatura muy fuerte. Si los sensores funcionan, mostrará una fuerte pendiente en marcado contraste con el NaCl.
• MgCl seleccionado como otro compuesto muy comúnmente utilizado y estando en el rango de baja humedad, distinto de los otros dos.

Figura 5. Sensores DHT22 A,D,E,F, el DHT11 y el SHT71 probados con cloruro de sodio saturado en el rango de temperatura de 12-35°C. Los valores extraídos de la bibliografía publicada se han sobretrazado para su comparación. Aunque la lectura es un 1% alta, el SHT71 es el único que muestra un comportamiento correcto e independiente de la temperatura. Todos los DHT22 muestran lecturas de humedad que aumentan con la temperatura, en consonancia con mi estudio anterior sobre el DHT22

Figura 6. Sensores DHT22 A,D,E,F, el DHT11 y el SHT71 con nitrato de amonio saturado en el rango de temperatura de 10-35°C. Los valores extraídos de la bibliografía publicada se han sobretrazado para su comparación. Se obtuvieron dos series de datos con un par de meses de diferencia. Todos los sensores ilustran correctamente el hecho de que la solubilidad del nitrato de amonio depende en gran medida de la temperatura, lo que hace que la humedad por encima de la solución saturada cambie con la temperatura. De nuevo, el SHT71 es el que mejor se ajusta a los datos de referencia. La mayoría de los sensores presentan una desviación del 1-2% entre las dos series de datos. El sensor E se ha mantenido muy constante a lo largo del tiempo, aunque, como todos los dispositivos DHT, vuelve a mostrar la tendencia a leer una humedad más alta de lo que debería a medida que aumenta la temperatura. El sensor A falló entre las dos series de datos y se convirtió en el segundo de mis seis DHT22 en morir. Al igual que el sensor B, muestra el insidioso comportamiento de seguir produciendo resultados de apariencia sensata que se correlacionan correctamente con la temperatura. Simplemente está compensado en un 15%.

Figura 7. Sensores DHT22 A,D,E,F, el DHT11 y el SHT71 con cloruro de magnesio saturado en el rango de temperatura de 10-32°C. Los valores extraídos de la bibliografía publicada se han sobretrazado para su comparación. Las conclusiones son coherentes con las mediciones anteriores. La pendiente del SHT71 es de nuevo la que mejor se ajusta a los datos de referencia, lo que significa que tiene los menores errores relacionados con la temperatura. Todas las salidas del DHT22 tienen una tendencia a aumentar con la temperatura. Aunque el coeficiente de temperatura es erróneo, la calibración absoluta del sensor A es aquí la mejor del lote. Lamentablemente, poco después de tomar estos datos, falló como se ilustra en la Figura 6.

Estos gráficos demuestran de nuevo un punto hecho repetidamente que estos experimentos son sólo tan precisos como la disponibilidad de referencias de calibración y la literatura muestra una variación considerable. Obsérvese, por ejemplo, el nitrato de amonio de la figura 6. Mis dos series de datos con el SHT71 muestran una desviación sistemática que presumiblemente es la deriva de la calibración del sensor, pero esa desviación es sólo la misma que la discrepancia entre los conjuntos de datos publicados de Wexler y O’Brien.

La diferencia muy obvia entre las figuras 5 y 6 demuestra el éxito de la configuración del sistema. Al igual que con la Figura 3 del informe DHT22, la principal conclusión de esto es que podemos diferenciar claramente entre los cambios de sensibilidad del sensor y los auténticos cambios ambientales, y nuestras conclusiones sobre la calibración del sensor son válidas, no son un error experimental.

Parte 3: Como función simultánea de la temperatura y la humedad

Por último, si se va a utilizar un sensor para medir la humedad bajo un rango de temperaturas variables se requiere una calibración bivariante completa. En la figura 8 se muestra una calibración de este tipo en un rango de temperatura bastante moderado de 10 < °C < 35. Las curvas de la figura 4 son efectivamente secciones transversales a través de estas superficies.

Figura 8. Superficies que muestran la desviación de la salida del sensor respecto al valor de referencia en función tanto de la temperatura como de la humedad relativa. Los valores son para DHT11 y DHT22 se leen directamente de los dispositivos. Los valores del SHT71 se han corregido en función de la temperatura y se han linealizado utilizando los parámetros por defecto de la hoja de datos del fabricante. Para el dispositivo DHT22 A incluyo sólo los datos de antes del cambio repentino del 15%, por lo que este gráfico representa cómo funcionó durante unos 18 meses, pero ya no es válido.

Exactitud de la temperatura

A petición de un corresponsal, incluyo una rápida comparación de las salidas de temperatura. Mi aparato no tiene ninguna referencia externa con la que calibrar la salida de temperatura y por lo tanto simplemente trazo una comparación directa. Estrictamente, esto sólo muestra que están de acuerdo, no que todos sean correctos, pero no creo que haya duda de que son lo suficientemente buenos para la mayoría de los propósitos. Los dispositivos DHT22/AM2302 coinciden bien con el SHT71. El SHT71 y el E difieren en una constante de 0,4°C, la mayor divergencia que he visto. La mayoría de los demás difieren en ∼0,1°C. Todo esto es consistente con mis resultados anteriores de DHT22/AM2302 solamente. El DHT11 tiene más dispersión, pero normalmente he visto la especificación dada como ±2°C y mi dispositivo de prueba entregó ±0,7°C. En otro lugar he examinado la precisión absoluta del termómetro BME280, pero esa prueba no se ha aplicado a estos sensores.

Figura 9. Comparación de las salidas de temperatura de los distintos dispositivos. No tengo motivos para sospechar que haya problemas con los termómetros de ninguno de los dispositivos.

Conclusión

• El SHT71 es claramente superior al DHT22. Está mejor hecho, es al menos igual de exacto, más preciso y responde más rápidamente a los cambios. Por supuesto, también cuesta diez veces más.
• Lo que más llama la atención es la estabilidad térmica mucho mayor del SHT71 en comparación con los demás. (Por ejemplo, la figura 5.)
• La fiabilidad puede justificar el mayor coste para usted. Después de un par de años, mi único SHT71 funciona bien.
• Dos de mis seis dispositivos DHT22 / AM2303 han fallado. La esperanza de vida es de uno a dos años.
• Después de 18 meses de funcionamiento continuo sólo uno de mis seis dispositivos DHT22 / AM2303 (dispositivo E) es capaz de igualar el rendimiento de mi SHT71. Por supuesto, es posible que tenga el único SHT71 bueno, pero no lo considero probable.
• El DHT22 ciertamente es mejor que el DHT11 y justifica fácilmente su coste adicional. No me molestaré en jugar con el DHT11 más, pero ciertamente funciona si usted tiene necesidad de un dispositivo barato, de baja especificación.