Vergleich von DHT22, DHT11 und Sensirion SHT71

Einleitung

Meine früher veröffentlichten Ergebnisse verglichen sechs AM2302 (auch bekannt als DHT22, RHT03, und ich verwende die Namen durchgehend austauschbar) Hygrometer. Hier wiederhole ich dieses Experiment mit denselben Geräten und Techniken, ersetze aber zwei der Sensoren durch alternative Modelle, einen DHT11 und einen Sensirion SHT71. Das Ziel der früheren Arbeit war es, festzustellen, ob ein so preiswerter Sensor wie der AM2302/DHT22 die von ihm behauptete Genauigkeit erreichen kann. Ich kam zu dem Schluss, dass dies in meinen Experimenten nicht der Fall war, dass sie jedoch eine überraschend gute Leistung und ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für die meisten nicht sicherheitskritischen Heimwerkerprojekte bieten. Die nächste naheliegende Frage ist, ob meine Tests zeigen würden, dass ein teureres Gerät besser ist. Da ich das Experiment wiederholt habe, habe ich auch das noch billigere und weniger spezifizierte DHT11 einbezogen.

Die Datenblätter für die Geräte DHT11 und DHT22 sind in der Regel kurz. Die Zahlen in der folgenden Tabelle stehen in den Datenblättern und werden normalerweise von den Händlern angegeben. Das Sensirion-Datenblatt hingegen ist detailliert und umfassend und enthält Angaben zur Genauigkeit in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit sowie Details zu den empfohlenen Kalibrierungs- und Linearisierungsverfahren. Beachten Sie, dass die absoluten Genauigkeitsangaben von Sensirion weniger streng und glaubwürdiger sind als die, die normalerweise für die DHT-Geräte angegeben werden.

UPDATE: Seit dem Verfassen dieser Seite ist vor kurzem ein deutlich verbessertes Datenblatt erschienen, das sowohl eine klarere Übersetzung ins Englische als auch detailliertere Spezifikationen und Diagramme enthält. Es gibt immer noch eine typische Genauigkeit von ±2% an, zeigt aber jetzt, dass die Genauigkeit an den beiden extremen Grenzen, <10% und >90%

, auf ±5% abnimmt. Die genaue und wiederholbare Messung der relativen Feuchte ist bekanntermaßen schwierig. Die hier verwendeten Verfahren wurden über einen Zeitraum von etwa einem Jahr entwickelt und sind auf meiner DHT22/AM2302-Kalibrierungsseite ausführlich beschrieben. Ich bin kein Experte für Hygrometer. Ich habe einfach das beste Experiment entwickelt, das mir möglich war, basierend auf der Lektüre mehrerer Abhandlungen zu diesem Thema und unter Verwendung einiger Haushaltsgeräte, die ich herumliegen hatte.

Die Geräte und Testapparaturen

Die AM2302/DHT22-Geräte sind die gleichen, die ich zuvor verwendet habe. Es sind die Geräte A, B, D, E und F aus meinem früheren Bericht. Obwohl fünf erwähnt werden, wurden nur vier gleichzeitig getestet. Sensor B fiel während des Experiments aus und wurde durch E ersetzt. Ich habe einen DHT11 und einen Sensirion SHT71 hinzugefügt.

Der Aufbau des Geräts ist wie zuvor beschrieben. Alle Sensoren wurden von einem 5-V-Gleichstrom-Schaltnetzteil gespeist. Eine neue Software musste dem Mikrocontroller hinzugefügt werden, um das Sensirion-Gerät auszulesen, und basierte auf der Sensirion Arduino-Bibliothek von Markus Schatzl und Carl Jackson.

Die Referenz-Kalibrierungsquellen sind ebenfalls immer noch dieselben, elf gesättigte Salzlösungen und destilliertes Wasser. Die Daten wurden in ähnlicher Weise wie zuvor gesammelt, wobei die Sensoren einige Stunden lang mit jeder Lösung stabilisiert wurden.

Qualität der Konstruktion

Bei mehr als dem zehnfachen Preis ist der SHT71 den anderen Geräten unbestreitbar weit überlegen. Er ist sowohl kleiner als auch fühlt er sich solider an. Die vergoldeten Stifte aus einer Cu/Be-Legierung sind sehr robust im Vergleich zum DHT22, bei dem sich die Stifte wirklich anfühlen, als wären sie aus dicker Alufolie gefertigt. Beachten Sie, dass der SHT71 1,27-mm-Trennstifte hat, was den Anschluss an gängige 2,54-mm-Arduinos und Bread-Boards erschwert. Ich habe meinen in einen 2,54-mm-Header-Block eingebaut, um die Handhabung zu erleichtern.

Abbildung 1. Vergleich der Verpackung des SHT71 mit der des AM2302. Der DHT11 sieht ähnlich aus wie der AM2302. Er ist zwar etwas kleiner, hat aber auch 0,1″ Abstand zwischen den Stiften. Der SHT71 hat 0,05″-Trennstifte.

Reaktionsgeschwindigkeit

Der SHT71 reagierte durchweg am schnellsten auf Änderungen, indem er eine Änderung in wenigen Sekunden registrierte. Der DHT22/AM2302 scheint etwa 30 Sekunden zu brauchen und der DHT11 kann ein paar Minuten brauchen. Allerdings speichert der DHT22 einen Messwert im Speicher und gibt ihn bei der nächsten Abfrage zurück. Da ich nur alle 30 Sekunden eine Messung durchführe, stammen die DHT22-Werte immer von vor 30 Sekunden, weshalb die schrittweise Änderung in Abbildung 2 30 Sekunden hinter dem SHT71 zurückbleibt.

Alle Sensoren (einschließlich des SHT71) können mehrere Stunden benötigen, um sich bei hoher Luftfeuchtigkeit vollständig zu stabilisieren. Obwohl dies zum Teil am Gerät liegen kann, vermute ich, dass es wirklich mehrere Stunden dauert, bis sich die Luft in der Dose nach einem Tausch ausgleicht und sättigt. Dennoch ist die relative Tatsache, dass der SHT71 am schnellsten und der DHT11 am langsamsten ist, offensichtlich real, da sie alle zusammen die gleiche Luft messen.

Abbildung 2. Ein typisches Beispiel für Feuchtemessungen beim Wechsel der Probenlösung. Die Ausgangswerte des SHT71 reagieren durchweg auf den ersten Messwert nach der Änderung und zeigen eine abrupte sprunghafte Änderung. Der DHT22 reagiert typischerweise eine Probe später, da er zwischengespeicherte und nicht neue Messungen liefert. Der DHT11 zeigt innerhalb von ein oder zwei Minuten eine Art von Reaktion, aber es kann eine Weile dauern, bis er sich allmählich dem neuen Messwert annähert.

Ergebnisse

Teil 1: In Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit

Zunächst betrachten wir die unterschiedliche Reaktion des Sensors auf verschiedene Referenzfeuchten, die alle bei einer einzigen festen Temperatur gemessen wurden.

Abbildung 3. Diagramme der vom Hygrometer abgelesenen Werte gegen die bekannte Referenzfeuchtigkeit. Es sind drei Epochen dargestellt. Grün ist Durchlauf 1 vom Mai 2014. Blau ist Durchlauf 2 vom August 2014 und aufgeteilt in Cyan für die Daten, von denen bekannt ist, dass sie durch die Selbsterhitzung von B verfälscht sind, und Dunkelblau für Daten, die als gut gelten. Rot sind Durchlauf 3 vom November 2014.

Abbildung 4. Die gleichen Daten wie in Abbildung 3 mit den gleichen quadratischen Polynomanpassungen sind erneut dargestellt, aber die vertikale Achse ist jetzt die Differenz zwischen Mess- und Referenzwerten. Diese Diagramme zeigen den Fehler, der sich aus der Verwendung der werkskalibrierten Werte ergeben würde. Für DHT11 und DHT22 wurden diese Werte ohne Neukalibrierung direkt vom Sensor abgelesen. Für SHT71 wurden diese Werte temperaturkorrigiert und mit den Standardparametern aus dem Datenblatt des Herstellers linearisiert. Es sind drei Epochen dargestellt. Grün ist Durchlauf 1 vom Mai 2014. Blau ist Durchlauf 2 vom August 2014 und aufgeteilt in Cyan für die Daten, von denen bekannt ist, dass sie durch die B-Selbsterhitzung verfälscht sind, und Dunkelblau für Daten, die als gut gelten. Rot sind die Daten von Durchlauf 3 im November 2014. Der grau schattierte Bereich ist die Spezifikation aus den Datenblättern.

Sensirion SHT71

Dies ist der beste der Sensoren. Er ist der linearste, zeitlich stabilste und wohl auch derjenige mit den geringsten absoluten Abweichungen, auch wenn die besten DHT22s vergleichbar sind. Er kann seine Kosten rechtfertigen, wenn Sie ein Bedürfnis nach dieser zusätzlichen Genauigkeit und vor allem Zuverlässigkeit haben. Für die meisten alltäglichen Zwecke sind die anderen Sensoren wahrscheinlich ausreichend, abgesehen von der groben Inkonsistenz, die durch die Selbsterhitzung von Sensor B verursacht wird. In puncto Wiederholbarkeit und Konsistenz scheint der SHT71 leicht zu gewinnen. Feinere Fertigungstoleranzen und Qualitätskontrolle sind vermutlich das, wofür man bei den teureren Geräten zahlt. Die RMS-Streuung um die Fit-Linie beträgt 2 % r.F., aber dies ist nur eine Schätzung der Gesamtgenauigkeit, wenn die Korrekturkurve angewendet wird und solange diese unverändert bleibt. Man beachte, dass diese 2%RH-Streuung sowohl systematische Fehler in meiner Apparatur als auch Messfehler in den Sensoren beinhaltet. Die tatsächliche Luftfeuchtigkeit, die von jeder Lösung erzeugt wird, ist nur bis etwa 2 % r.F. bekannt. Alle Sensoren liefern beispielsweise für Ammoniumnitrat bei 22 °C 1-2 % niedrigere Messwerte als erwartet, was darauf hindeutet, dass die von mir verwendeten Referenzdaten fehlerhaft sind und nicht die Sensoren. Ohne meine eigene Korrekturkurve liegen die Fehler des Sensors nach Anwendung der Standardkalibrierung des Herstellers aus dem Datenblatt bei bis zu 5 %. Alle meine Datenpunkte bleiben fast innerhalb des schattierten Bereichs der Herstellerspezifikation.

DHT11

Wie im Datenblatt angegeben, ist dieses Gerät unter 20 % oder über 90 % nicht zu gebrauchen, aber in Bezug auf den physischen Komfort fühlt sich alles über 90 % Luftfeuchtigkeit gleich an, d. h. nass. Ebenso fangen meine Lippen bei weniger als 20 % an, rissig zu werden, so dass der Unterschied zwischen 5 % und 15 % für viele Verwendungszwecke nicht wichtig sein dürfte. Die Wiederholbarkeit (Streuung der Datenpunkte) ist deutlich schlechter als bei allen anderen Sensoren (±5%), aber innerhalb seines gültigen Bereichs (20 < %RH < 90) ist seine absolute Kalibrierung fast so gut wie die des DHT22. Eine Kalibrierkurve ist durch diese Daten nicht gerechtfertigt, obwohl ein konstanter Offset von etwa 4 % die Ablesegenauigkeit zu verbessern scheint. Wenn die Eigenerwärmung von Sensor B den benachbarten DH11 beeinträchtigt, könnte der erforderliche Offset etwas größer sein. Ein Datenlauf ohne den sich selbst erwärmenden Sensor B wurde begonnen, dann aber aufgegeben, als ich beschloss, dieses Gerät nicht mehr zu verwenden.

DHT22 / AM2302

Sensor A Abgesehen von Lauf 2, der durch einen fehlerhaften Sensor B gestört wurde, sah dieses Gerät bis kurz vor Ende des Experiments gut aus, als es als zweites der sechs DHT22 ausfiel. Wenn es funktionierte, zeigte es konstant 2 % hohe Werte an.
Sensor B ist höchst problematisch. Während des zweiten Datenlaufs war das Gerät defekt und lief heiß. Die Hitze beeinflusste auch seine eigene lokale Umgebung, so dass er als Maß für die Umgebungsbedingungen wenig taugt. Selbst wenn es sich in Lauf 3 nicht selbst erwärmte, scheint sich sein Verhalten in gewissem Maße geändert zu haben. Dieses Gerät wurde verschrottet.
Sensor C wurde nur einmal getestet, wobei seine Ergebnisse denen des SHT71 bemerkenswert ähnlich waren.
Sensor D hat sich stärker verändert, als es die Spezifikation zulässt, ist aber mit einem Fehler von etwa 5 % noch tolerierbar. Seine Veränderungen sind nicht durch die lokale Erwärmung von Sensor B zu erklären. Die Anwendung einer der Korrekturkurven würde die anderen Messungen verbessern, so dass er eine gewisse Konsistenz aufweist, aber er hat sich deutlich verändert.
Sensor E sieht gut aus. Die Divergenz bei 100 % könnte nur auf ein paar Datenerfassungsfehler in Durchlauf 1 zurückzuführen sein, und wenn man diese ignoriert, ist er sehr konsistent geblieben.
Sensor F hat sich zwischen den Messungen kaum verändert. Leider hat er von allen Kalibrierkurven die aggressivste Krümmung, aber er ist zumindest einigermaßen konstant geblieben. Wenn ich eine aus den alten Daten abgeleitete Korrekturkurve anwenden würde, wäre sie auch jetzt noch gültig.

Teil 2: In Abhängigkeit von der Temperatur

Die obigen Messungen wurden bei festen Temperaturen (30°C und 22°C) durchgeführt. Als nächstes betrachten wir, wie die Sensoren im Bereich von 10-40 °C reagieren. Dabei müssen zwei Effekte unterschieden werden. Wir wollen messen, ob sich die Reaktion der Sensoren mit der Temperatur ändert, aber wir wissen, dass die von den Lösungen erzeugte Feuchtigkeit selbst temperaturabhängig ist. Die „Referenzwerte“ sind also keine festen Konstanten mehr, sondern temperaturabhängige Steigungen. Die DHT22-Sensoren A,D,E,F, der DHT11 und der SHT71 wurden mit allen gesättigten Lösungen getestet, und die Diagramme für drei davon sind in den Abbildungen 5, 6 und 7 dargestellt. Die hier ausgewählten Verbindungen sind:

• NaCl, weil sie bei weitem die am besten untersuchte und kalibrierte unserer Reihe ist und weil sie außerdem die geringste Temperaturabhängigkeit aufweist. Für diesen einen speziellen Fall brauchen wir kaum eine Steigung zu zeichnen. Die Luftfeuchtigkeit liegt über den gesamten Temperaturbereich bei festen 75 %.
• NH4NO3 ist die einzige Verbindung mit einem sehr starken Temperaturkoeffizienten. Wenn die Sensoren funktionieren, zeigt dies eine starke Steigung im Gegensatz zu NaCl.
• MgCl wurde als eine weitere sehr häufig verwendete Verbindung ausgewählt, die sich im niedrigen Feuchtigkeitsbereich von den beiden anderen unterscheidet.

Abbildung 5. DHT22-Sensoren A,D,E,F, der DHT11 und der SHT71, getestet mit gesättigtem Natriumchlorid über den Temperaturbereich von 12-35°C. Zum Vergleich sind die Werte aus der veröffentlichten Literatur überzeichnet. Der SHT71 ist der einzige, der das korrekte, temperaturunabhängige Verhalten zeigt, obwohl er 1 % zu hoch anzeigt. Alle DHT22 zeigen Feuchtemesswerte, die mit der Temperatur ansteigen, was mit meiner früheren Studie übereinstimmt, die sich nur auf den DHT22 bezog

Abbildung 6. DHT22-Sensoren A,D,E,F, der DHT11 und der SHT71 mit gesättigtem Ammoniumnitrat über den Temperaturbereich 10-35°C. Zum Vergleich sind Werte aus der veröffentlichten Literatur überzeichnet. Es wurden zwei Datenläufe im Abstand von einigen Monaten durchgeführt. Alle Sensoren zeigen korrekt die Tatsache, dass die Löslichkeit von Ammoniumnitrat stark temperaturabhängig ist und sich die Feuchtigkeit über der gesättigten Lösung mit der Temperatur ändert. Der SHT71 stimmt wiederum am besten mit den Referenzdaten überein. Die meisten Sensoren weisen eine Drift von 1-2 % zwischen den beiden Datenläufen auf. Der Sensor E ist im Laufe der Zeit sehr konstant geblieben, obwohl er, wie alle DHT-Geräte, die Tendenz hat, bei steigender Temperatur eine höhere Luftfeuchtigkeit zu messen als er sollte. Sensor A fiel zwischen den beiden Datenläufen aus und war der zweite meiner sechs DHT22, der starb. Wie bei Sensor B zeigt er das heimtückische Verhalten, immer noch vernünftig aussehende Ergebnisse zu liefern, die korrekt mit der Temperatur korrelieren. Er ist einfach um 15 % versetzt.

Abbildung 7. DHT22-Sensoren A,D,E,F, der DHT11 und der SHT71 mit gesättigtem Magnesiumchlorid über den Temperaturbereich 10-32°C. Zum Vergleich sind Werte aus der veröffentlichten Literatur überzeichnet. Die Schlussfolgerungen stimmen mit früheren Messungen überein. Die Steigung des SHT71 stimmt wiederum am besten mit den Referenzdaten überein, was bedeutet, dass er die geringsten temperaturbedingten Fehler aufweist. Die Ausgänge des DHT22 haben alle die Tendenz, mit der Temperatur zuzunehmen. Obwohl der Temperaturkoeffizient falsch ist, ist die absolute Kalibrierung von Sensor A hier die beste von allen. Leider ist er kurz nach der Aufnahme dieser Daten ausgefallen, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Diese Diagramme zeigen erneut, dass diese Experimente nur so genau sind, wie die verfügbaren Kalibrierungsreferenzen, und die Literatur zeigt eine beträchtliche Variation. Sehen Sie sich zum Beispiel Ammoniumnitrat in Abbildung 6 an. Meine beiden Datenläufe mit dem SHT71 zeigen einen systematischen Offset, bei dem es sich vermutlich um eine Sensorkalibrierungsdrift handelt, aber dieser Offset ist nur etwa so groß wie die Diskrepanz zwischen den veröffentlichten Datensätzen von Wexler und O’Brien.

Der sehr offensichtliche Unterschied zwischen den Abbildungen 5 und 6 zeigt den Erfolg des Systemaufbaus. Wie bei Abbildung 3 im DHT22-Bericht besteht die wichtigste Schlussfolgerung darin, dass wir eindeutig zwischen Veränderungen der Sensorempfindlichkeit und echten Umweltveränderungen unterscheiden können und dass unsere Schlussfolgerungen bezüglich der Sensorkalibrierung gültig sind und nicht auf experimentellen Fehlern beruhen.

Teil 3: Als Funktion von Temperatur und Feuchte gleichzeitig

Schließlich ist eine vollständige bivariate Kalibrierung erforderlich, wenn ein Sensor zur Messung der Feuchte in einem Bereich unterschiedlicher Temperaturen verwendet werden soll. Eine solche Kalibrierung über den eher moderaten Temperaturbereich 10 < °C < 35 ist in Abbildung 8 dargestellt. Die Kurven in Abbildung 4 sind praktisch Querschnitte durch diese Flächen.

Abbildung 8. Flächen, die die Abweichung des Sensorausgangs vom Referenzwert in Abhängigkeit von der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit zeigen. Die Werte für DHT11 und DHT22 wurden direkt von den Geräten abgelesen. Die Werte des SHT71 wurden temperaturkorrigiert und mit den Standardparametern aus dem Datenblatt des Herstellers linearisiert. Für das DHT22-Gerät A habe ich nur Daten aus der Zeit vor der plötzlichen 15 %-igen Verschiebung aufgenommen, so dass dieses Diagramm zeigt, wie es etwa 18 Monate lang funktionierte, aber nicht mehr gültig ist.

Temperaturgenauigkeit

Auf Wunsch eines Korrespondenten füge ich einen schnellen Vergleich der Temperaturausgänge bei. Mein Gerät enthält keine externe Referenz zur Kalibrierung des Temperaturausgangs, so dass ich einfach einen direkten Vergleich aufzeichne. Das zeigt nur, dass sie übereinstimmen, nicht dass sie alle korrekt sind, aber ich glaube nicht, dass es ernsthafte Zweifel daran gibt, dass sie für die meisten Zwecke gut genug sind. Die DHT22/AM2302-Geräte stimmen gut mit dem SHT71 überein. SHT71 und E unterscheiden sich um konstante 0,4°C, die größte Abweichung, die ich gesehen habe. Die meisten anderen unterscheiden sich um ∼0,1°C. Dies alles stimmt mit meinen früheren Ergebnissen überein, die sich nur auf DHT22/AM2302 beziehen. Der DHT11 weist eine größere Streuung auf, aber ich habe normalerweise eine Spezifikation von ±2°C gesehen und mein Testgerät lieferte ±0,7°C. Ich habe mich an anderer Stelle mit der absoluten Thermometergenauigkeit des BME280 befasst, aber dieser Test wurde nicht auf diese Sensoren angewendet.

Abbildung 9. Vergleich der Temperaturausgänge der verschiedenen Geräte. Ich habe keinen Grund, irgendwelche Probleme mit den Thermometern in einem der Geräte zu vermuten.

Fazit

• Das SHT71 ist dem DHT22 eindeutig überlegen. Er ist besser verarbeitet, mindestens genauso genau, präziser und reagiert schneller auf Veränderungen. Er kostet natürlich auch zehnmal so viel.
• Besonders auffällig ist die viel bessere thermische Stabilität des SHT71 im Vergleich zu den anderen. (Zum Beispiel Abbildung 5.)
• Die Zuverlässigkeit rechtfertigt für Sie vielleicht die höheren Kosten. Nach ein paar Jahren läuft mein einzelner SHT71 immer noch einwandfrei.
• Zwei meiner sechs DHT22 / AM2303 sind ausgefallen. Die Lebenserwartung beträgt etwa ein bis zwei Jahre.
• Nach 18 Monaten Dauerbetrieb kann nur eines meiner sechs DHT22 / AM2303-Geräte (Gerät E) die Leistung meines SHT71 erreichen. Natürlich ist es möglich, dass ich den einen guten SHT71 erwischt habe, aber das halte ich für unwahrscheinlich.
• Der DHT22 ist sicherlich besser als der DHT11 und rechtfertigt mit Leichtigkeit seinen Mehrpreis. Ich werde mir nicht die Mühe machen, weiter mit dem DHT11 zu spielen, aber er funktioniert sicherlich, wenn man ein billiges Gerät mit niedrigeren Spezifikationen braucht.