Porovnání DHT22, DHT11 a Sensirion SHT71

Úvod

Moje dříve publikované výsledky porovnávaly šest vlhkoměrů AM2302 (alias DHT22, RHT03, v textu používám tyto názvy zaměnitelně). Zde tento experiment opakuji za použití stejného přístroje a techniky, ale dva ze snímačů nahrazuji alternativními modely, DHT11 a Sensirion SHT71. Cílem předchozí práce bylo zjistit, zda tak levný snímač, jako je AM2302/DHT22, může splnit deklarovanou přesnost. Můj závěr byl, že v mých experimentech ne, ale že poskytují překvapivě dobrý výkon a velmi dobrou hodnotu za peníze pro většinu domácích kutilských projektů, které nejsou kritické z hlediska bezpečnosti. Další zřejmou otázkou je, zda by mé testy ukázaly, že dražší zařízení je lepší. Protože jsem experiment prováděl znovu, zahrnul jsem do něj také ještě levnější a nižší specifikaci DHT11.

Datové listy zařízení DHT11 a DHT22 bývají stručné. Čísla v následující tabulce se objevují v datových listech a obvykle je uvádějí prodejci. Naproti tomu datový list Sensirion je podrobný a vyčerpávající a uvádí přesnost v závislosti na vlhkosti a také podrobnosti o doporučených postupech kalibrace a linearizace. Všimněte si, že údaje společnosti Sensirion o absolutní přesnosti jsou méně přísné a věrohodnější než údaje obvykle uváděné u zařízení DHT.

DOPLNĚNÍ: Od prvního napsání této stránky se nedávno objevil mnohem vylepšený datový list, který obsahuje jak jasnější překlad do češtiny, tak podrobnější specifikace a grafy. Stále uvádí typickou přesnost ±2 %, ale nyní ukazuje, že přesnost klesá na ±5 % u dvou krajních mezí, <10 % a >90 %

Přesné a opakované měření relativní vlhkosti je notoricky známé. Zde použité postupy byly vyvíjeny po dobu přibližně jednoho roku a jsou podrobně popsány na mé kalibrační stránce DHT22/AM2302. Nejsem žádný odborník na vlhkoměry. Jen jsem vymyslel nejlepší možný experiment na základě přečtení několika článků na toto téma a s použitím několika kusů domácího vybavení, které jsem měl po ruce.

Přístroje a zkušební přístroje

Přístroje AM2302/DHT22 jsou stejné přístroje, jaké jsem používal dříve. Jsou to A,B,D,E a F z mého předchozího zápisu. Ačkoli je jich uvedeno pět, v jednom okamžiku byly testovány pouze čtyři. Snímač B během experimentu selhal a byl nahrazen snímačem E. Přidala jsem snímač DHT11 a snímač Sensirion SHT71.

Nastavení přístroje je stejné, jak bylo popsáno dříve. Všechny snímače byly napájeny z 5V stejnosměrného spínaného zdroje. Do mikrokontroléru bylo třeba přidat nový software pro čtení zařízení Sensirion, který byl založen na knihovně Sensirion Arduino od Markuse Schatzla a Carla Jacksona.

Referenční kalibrační zdroje jsou také stále stejné, jedenáct nasycených roztoků soli a destilovaná voda. Všechna data byla shromážděna podobným způsobem jako dříve, přičemž senzory se nechaly několik hodin stabilizovat s každým roztokem.

Kvalita provedení

Při více než desetinásobné ceně je SHT71 nepřekvapivě daleko lepší než ostatní. Je menší i pocitově pevnější. Pozlacené kolíky ze slitiny Cu/Be jsou velmi robustní ve srovnání s modelem DHT22, u kterého kolíky upřímně působí, jako by byly vyrobeny z tlusté hliníkové fólie. Všimněte si, že SHT71 má 1,27mm oddělovací piny, což snižuje snadnost připojení k běžným hobby 2,54mm Arduinům a bread-boardům. Já jsem svůj namontoval do 2,54mm header bloku pro snadnější manipulaci.

Obrázek 1. Srovnání balení SHT71 ve srovnání s AM2302. DHT11 vypadá podobně jako AM2302. Je sice o něco menší, ale také má 0,1″ oddělené vývody. SHT71 má 0,05″ oddělovací kolíky.

Rychlost odezvy

SHT71 trvale reagoval na změny nejrychleji, změnu zaregistroval během několika sekund. Zdá se, že DHT22/AM2302 to trvá přibližně 30 s a DHT11 to může trvat i několik minut. DHT22 však ukládá odečet do mezipaměti a vrací jej vždy, když je hodnota požadována příště. Protože odebírám vzorky pouze každých 30 s, hodnoty DHT22 jsou vždy od 30 s, což je důvod, proč kroková změna na obrázku 2 zaostává o 30 s za SHT71.

Všem senzorům (včetně SHT71) může trvat několik hodin, než se při vysoké vlhkosti plně stabilizují. I když to zčásti může být zařízením, mám podezření, že skutečně trvá několik hodin, než se vzduch uvnitř nádoby po výměně vyrovná a nasytí. Přesto je relativní skutečnost, že SHT71 je nejrychlejší a DHT11 nejpomalejší, zřejmě reálná, protože všechny dohromady měří stejný vzduch.

Obrázek 2. Vlhkost v závislosti na čase. Typický příklad měření vlhkosti při změně roztoku vzorku. Výstupní hodnoty z SHT71 konzistentně reagují na první odečet po změně a vykazují náhlou skokovou změnu. DHT22s typicky reaguje o jeden vzorek později, protože vrací nacachovaná, nikoli nová měření. DHT11 vykazuje jakousi odezvu s minutou nebo dvěma, ale může chvíli trvat, než se postupně přiblíží k novému měření.

Výsledky

Část 1: Jako funkce vlhkosti

Nejprve se podíváme na měnící se odezvu senzoru na různé referenční vlhkosti, všechny měřené při jedné pevné teplotě.

Obrázek 3. Grafy hodnot odečtených z vlhkoměru oproti známé referenční vlhkosti. Zobrazeny jsou tři epochy. Zeleně je znázorněna epocha 1 z května 2014. Modrá je běh 2 ze srpna 2014 a je rozdělen na azurovou pro data, o kterých je známo, že jsou poškozena samovolným ohřevem B, a tmavě modrou pro data považovaná za dobrá. Červené jsou běh 3 z listopadu 2014.

Obrázek 4. Znovu jsou vykreslena stejná data jako na obrázku 3 se stejným kvadratickým polynomem, ale svislou osu nyní tvoří rozdíl mezi naměřenými a referenčními hodnotami. Tyto grafy představují chybu, která by vznikla při použití továrně kalibrovaných hodnot. Pro DHT11 a DHT22 jsou tyto hodnoty odečteny přímo ze snímače bez jakékoliv rekalibrace. U SHT71 byly tyto hodnoty korigovány na teplotu a linearizovány pomocí výchozích parametrů z datasheetu výrobce. Zobrazeny jsou tři epochy. Zeleně je znázorněn průběh 1 z května 2014. Modrá barva je průběh 2 ze srpna 2014 a je rozdělena na azurovou pro data, o kterých je známo, že jsou poškozena samovolným zahříváním B, a tmavě modrou pro data, která jsou považována za dobrá. Červené jsou běh 3 z listopadu 2014. Šedě stínovaná oblast je specifikace z datových listů.

Sensirion SHT71

Jedná se o nejlepší ze senzorů. Je nejlineárnější, nejstabilnější v čase a pravděpodobně ten s nejmenšími absolutními odchylkami, i když třešničkou na dortu je nejlepší z DHT22, jsou srovnatelné. Může ospravedlnit svou cenu, pokud máte potřebu této extra přesnosti a zejména spolehlivosti. Pro většinu každodenních účelů jsou ostatní snímače pravděpodobně dostačující, s výjimkou hrubé nekonzistence způsobené samovolným zahříváním snímače B. Zdá se, že SHT71 snadno vítězí v opakovatelnosti a konzistenci. Za jemnější výrobní tolerance a kontrolu kvality se pravděpodobně platí u dražších zařízení. Střední kvadratický rozptyl kolem přímky shody je 2 %RH, ale to je pouze odhad celkové přesnosti, pokud je použita korekční křivka a dokud se tato korekční křivka nemění. Všimněte si, že rozptyl 2 %RH zahrnuje systematické chyby v mém přístroji i chyby měření ve snímačích. Skutečná vlhkost generovaná každým roztokem je známa pouze přibližně do 2 %RH. Například u dusičnanu amonného při 22 °C dávají všechny senzory o 1-2 % nižší hodnoty, než se očekávalo, což naznačuje, že chyba je spíše v referenčních údajích, které používám, než v senzorech. Bez mé vlastní korekční křivky jsou chyby senzoru po použití výchozí kalibrace výrobce z datasheetu až 5 %. Všechny mé datové body téměř zůstávají ve stínované oblasti specifikace výrobce.

DHT11

Podle údajů v datovém listu je toto zařízení nepoužitelné pod 20 % a nad 90 %, ale pak z hlediska fyzického komfortu je vše nad 90 % vlhkosti pocitově stejné, tj. vlhké. Stejně tak při čemkoli pod 20 % mi začínají praskat rty, takže pro mnoho použití nemusí být rozdíl mezi 5 % a 15 % důležitý. Opakovatelnost (rozptyl datových bodů) je výrazně horší než u všech ostatních senzorů (±5 %), ale v rámci svého platného rozsahu (20 < %RH < 90) je jeho absolutní kalibrace téměř stejně dobrá jako u DHT22. Kalibrační křivka není na základě těchto údajů opodstatněná, ačkoli se zdá, že konstantní offset přibližně 4 % by zlepšil přesnost odečtu. Pokud by samovolné zahřívání čidla B ovlivňovalo sousední čidlo DH11, pak by požadovaný posun mohl být o něco větší. Byl zahájen běh dat bez samočinného zahřívání čidla B, ale poté se od něj upustilo, když jsem se rozhodl, že toto zařízení nebudu dále používat.

DHT22 / AM2302

Senzor A Pomineme-li běh 2, který byl poškozen vadným senzorem B, vypadalo toto zařízení dobře až do doby těsně před koncem experimentu, kdy se stalo druhým ze šesti DHT22, které selhalo. Když fungoval, ukazoval trvale 2 %.
Senzor B je velmi problematický. Během druhého běhu dat bylo zařízení vadné a běželo za tepla. Teplo ovlivňovalo i jeho vlastní místní prostředí, takže jako měřítko okolních podmínek má jen malé využití. Zdá se, že i když se při třetím běhu nezahříval sám, jeho chování se do jisté míry změnilo. Toto zařízení bylo vyřazeno.
Senzor C byl testován pouze jednou, během čehož byly jeho výsledky pozoruhodně podobné výsledkům SHT71.
Senzor D se změnil více, než dovoluje specifikace, ale stále je tolerovatelný s chybou kolem 5 %. Jeho změny nelze vysvětlit lokálním zahříváním od senzoru B. Použití některé z korekčních křivek by zlepšilo ostatní měření, takže vykazuje určitou konzistenci, ale zjevně se změnil.
Senzor E vypadá dobře. Divergence na 100 % by mohla být jen pár chyb při záznamu dat v běhu 1, a pokud byste je ignorovali, zůstal velmi konzistentní.
Senzor F se mezi měřeními změnil jen málo. Bohužel je ze všech kalibračních křivek nejagresivněji zakřivený, ale zůstal alespoň přiměřeně konstantní. Pokud bych použil korekční křivku odvozenou ze starých dat, platila by i nyní.

Část 2: V závislosti na teplotě

Výše uvedená měření byla provedena při pevně stanovených teplotách (30 °C a 22 °C). Dále se podíváme na to, jak snímače reagují v rozmezí 10-40 °C. Zde je třeba rozklíčovat dva efekty. Chceme změřit, zda se reakce čidel mění s teplotou, ale víme, že vlhkost generovaná roztoky je sama o sobě citlivá na teplotu. Referenční hodnoty“ tedy již nejsou pevnými konstantami, ale teplotně závislými sklony. Čidla DHT22 A,D,E,F, DHT11 a SHT71 byla testována se všemi nasycenými roztoky a grafy pro tři z nich jsou uvedeny na obrázcích 5, 6 a 7. Pro zařazení sem byly vybrány tyto sloučeniny:

• NaCl, protože je z našeho souboru zdaleka nejstudovanější a nejlépe kalibrovaná a také proto, že má nejslabší teplotní závislost. Pro tento jediný zvláštní případ téměř nepotřebujeme vykreslovat sklon. Vlhkost je pevně stanovena na 75 % v celém našem rozsahu teplot.
• NH4NO3, protože je to jediná zařazená sloučenina s velmi silným teplotním koeficientem. Pokud senzory fungují, bude vykazovat silný sklon ve výrazném kontrastu s NaCl.
• MgCl vybrán jako další velmi často používaná sloučenina, která je v nízkém rozsahu vlhkosti, odlišném od ostatních dvou.

Obrázek 5. Senzory DHT22 A,D,E,F, DHT11 a SHT71 testované s nasyceným chloridem sodným v rozsahu teplot 12-35 °C. Nad grafem jsou pro srovnání uvedeny hodnoty převzaté z publikované literatury. Ačkoli je hodnota o 1 % vyšší, SHT71 jako jediný vykazuje správné, na teplotě nezávislé chování. Všechny senzory DHT22 vykazují hodnoty vlhkosti, které rostou s teplotou, což odpovídá mé dřívější studii týkající se pouze senzoru DHT22

Obrázek 6. Senzory DHT22 A,D,E,F, DHT11 a SHT71 s nasyceným dusičnanem amonným v rozsahu teplot 10-35 °C. Nad grafem jsou pro srovnání uvedeny hodnoty převzaté z publikované literatury. Dvě série dat byly získány s odstupem několika měsíců. Všechny senzory správně ilustrují skutečnost, že rozpustnost dusičnanu amonného je silně závislá na teplotě, což způsobuje, že se vlhkost nad nasyceným roztokem mění s teplotou. SHT71 opět nejlépe odpovídá referenčním údajům. Většina snímačů vykazuje 1-2% drift mezi dvěma běhy dat. Senzor E zůstal v průběhu času velmi konzistentní, ačkoli stejně jako u všech zařízení DHT opět vykazuje tendenci odečítat vyšší vlhkost, než by měl, když se zvyšuje teplota. Čidlo A mezi dvěma měřeními selhalo a stalo se druhým z mých šesti přístrojů DHT22, které selhalo. Stejně jako senzor B vykazuje zákeřné chování, kdy stále poskytuje rozumně vypadající výsledky, které správně korelují s teplotou. Je prostě posunutý o 15 %.

Obrázek 7. Senzory DHT22 A,D,E,F, DHT11 a SHT71 s nasyceným chloridem hořečnatým v rozsahu teplot 10-32 °C. Nad grafem jsou pro srovnání uvedeny hodnoty převzaté z publikované literatury. Závěry jsou v souladu s předchozími měřeními. Sklon SHT71 opět nejlépe odpovídá referenčním údajům, což znamená, že má nejmenší chyby související s teplotou. Všechny výstupy DHT22 mají tendenci se zvyšovat s teplotou. Ačkoli je teplotní koeficient chybný, absolutní kalibrace čidla A je zde nejlepší ze všech. Bohužel krátce po pořízení těchto údajů došlo k jeho selhání, jak je znázorněno na obrázku 6.

Tyto grafy opět ukazují na opakovaně zdůrazňovanou skutečnost, že tyto experimenty jsou jen tak přesné, jak přesná je dostupnost kalibračních referencí, a literatura vykazuje značné rozdíly. Podívejte se například na dusičnan amonný na obrázku 6. Moje dva běhy dat s přístrojem SHT71 vykazují systematický posun, který je pravděpodobně driftem kalibrace senzoru, ale tento posun je pouze přibližně stejný jako rozpor mezi publikovanými soubory dat Wexler a O’Brien.

Zcela zřejmý rozdíl mezi obrázky 5 a 6 ukazuje úspěšnost nastavení systému. Stejně jako u obrázku 3 ve zprávě DHT22 je hlavním závěrem to, že můžeme jasně rozlišit mezi změnami citlivosti snímače a skutečnými změnami prostředí a naše závěry týkající se kalibrace snímače jsou platné, nejedná se o experimentální chybu.

Část 3: Jako funkce současně teploty a vlhkosti

Nakonec, pokud má být snímač použit k měření vlhkosti v rozsahu různých teplot, je nutná úplná dvourozměrná kalibrace. Taková kalibrace v poměrně mírném rozsahu teplot 10 < °C < 35 je znázorněna na obrázku 8. Křivky na obrázku 4 jsou vlastně průřezy těmito plochami.

Obrázek 8. Plochy znázorňující odchylku výstupu snímače od referenční hodnoty v závislosti na teplotě i relativní vlhkosti. Hodnoty pro DHT11 a DHT22 jsou odečteny přímo ze zařízení. Hodnoty ze SHT71 byly korigovány na teplotu a linearizovány pomocí výchozích parametrů z datasheetu výrobce. Pro zařízení DHT22 A uvádím pouze údaje z doby před náhlým 15% posunem, takže tento graf představuje, jak se choval po dobu asi 18 měsíců, ale již není platný.

Přesnost teploty

Na žádost korespondenta uvádím rychlé srovnání teplotních výstupů. Můj přístroj neobsahuje žádnou externí referenci, podle které by bylo možné kalibrovat teplotní výstup, a proto jednoduše vykresluji přímé srovnání. Přísně vzato to pouze ukazuje, že se shodují, ne že jsou všechny správné, ale myslím, že není vážných pochyb o tom, že jsou pro většinu účelů dostatečně dobré. Zařízení DHT22/AM2302 se dobře shodují s SHT71. SHT71 a E se liší o konstantních 0,4 °C, což je největší odchylka, kterou jsem viděl. Většina ostatních se liší o ∼0,1 °C. To vše odpovídá mým předchozím výsledkům pouze u DHT22/AM2302. DHT11 vykazuje větší rozptyl, ale obvykle jsem viděl specifikaci ±2 °C a moje testovací zařízení poskytlo ±0,7 °C. Jinde jsem se zabýval absolutní přesností teploměru BME280, ale tento test nebyl na tyto snímače aplikován.

Obrázek 9. Porovnání teplotních výstupů z různých zařízení. Nemám žádný důvod k podezření na problémy s teploměry v žádném ze zařízení.

Závěr

• Snímač SHT71 je jednoznačně lepší než DHT22. Je lépe vyrobený, přinejmenším stejně přesný, přesnější a rychleji reaguje na změny. Stojí ovšem také desetkrát více.
• Zejména zarážející je mnohem lepší tepelná stabilita SHT71 ve srovnání s ostatními. (Například obrázek 5.)
• Spolehlivost pro vás může ospravedlnit vyšší cenu. Po několika letech běží můj jediný SHT71 v pořádku.
• Dvě z mých šesti zařízení DHT22 / AM2303 selhala. Očekávaná životnost je přibližně jeden až dva roky.
• Po 18 měsících nepřetržitého provozu se pouze jedno z mých šesti zařízení DHT22 / AM2303 (zařízení E) dokáže vyrovnat výkonu mého SHT71. Je samozřejmě možné, že jsem dostal ten jeden dobrý SHT71, ale nepovažuji to za pravděpodobné.
• DHT22 je určitě lepší než DHT11 a snadno ospravedlní svou příplatkovou cenu. Nebudu se dále zabývat hraním s DHT11, ale určitě funguje, pokud máte potřebu levného zařízení s nižší specifikací.