Vertaile DHT22:ta, DHT11:tä ja Sensirion SHT71:tä

Esittely

Vertailin aiemmin julkaisemissani tuloksissa kuutta AM2302- (alias DHT22, RHT03 ja käytän näitä nimiä koko ajan keskenään vaihdettavina) kosteusmittaria. Toistan tässä kyseisen kokeen käyttäen samaa laitetta ja tekniikkaa, mutta vaihdan kaksi anturia vaihtoehtoisiin malleihin, DHT11:een ja Sensirion SHT71:een. Aikaisemman työn tavoitteena oli selvittää, voiko niinkin halpa anturi kuin AM2302/DHT22 vastata niiden väitettyä tarkkuutta. Johtopäätökseni oli, että kokeissani ne eivät pystyneet siihen, mutta niiden suorituskyky oli yllättävän hyvä ja hinta-laatusuhde oli erittäin hyvä useimmissa ei-turvallisuuskriittisissä kotitalousprojekteissa. Seuraava ilmeinen kysymys on, osoittaisivatko testini, että kalliimpi laite olisi parempi. Koska suoritin kokeen uudelleen, otin mukaan myös vielä halvemman ja alhaisemman spesifikaation omaavan DHT11:n.

DHT11- ja DHT22-laitteiden tietolehdet ovat yleensä lyhyitä. Seuraavassa taulukossa olevat luvut esiintyvät datalehdissä ja ovat tyypillisesti jälleenmyyjien ilmoittamia. Sensirionin datalehti sen sijaan on yksityiskohtainen ja kattava, ja siinä esitetään tarkkuus kosteuden funktiona sekä yksityiskohtaiset tiedot suositelluista kalibrointi- ja linearisointimenettelyistä. Huomaa, että Sensirionin absoluuttista tarkkuutta koskevat väitteet ovat vähemmän tiukkoja ja uskottavampia kuin DHT-laitteille tavallisesti ilmoitetut väitteet.

PÄIVITYS: Ensimmäisen kirjoituksen jälkeen on hiljattain ilmestynyt huomattavasti parannettu tietolehti, joka sisältää sekä selkeämmän englanninkielisen suomenkielisen käännöstekstin että yksityiskohtaisemmat tekniset tiedot. Siinä ilmoitetaan edelleen tyypilliseksi tarkkuudeksi ±2 %, mutta nyt tarkkuus laskee ±5 %:iin kahdella äärirajalla, <10 % ja >90 %

Suhteellisen kosteuden tarkka ja toistettava mittaaminen on tunnetusti hankalaa. Tässä käytetyt menettelyt kehitettiin noin vuoden ajan, ja ne on esitetty yksityiskohtaisesti DHT22/AM2302-kalibrointisivullani. En ole mikään kosteusmittareiden asiantuntija. Suunnittelin vain parhaan mahdollisen kokeen lukemieni useiden aihetta käsittelevien artikkelien perusteella ja käyttäen muutamia kotitalouslaitteita, joita minulla oli lojumassa.

Laitteet ja testilaitteet

Am2302/DHT22-laitteet ovat samoja laitteita, joita käytin aiemmin. Ne ovat A,B,D,E ja F edellisestä kirjoituksestani. Vaikka mainitaan viisi, vain neljä oli testissä kerrallaan. Anturi B ei toiminut kokeen aikana, ja sen tilalle tuli E. Olen lisännyt DHT11:n ja Sensirion SHT71:n.

Laitteiston kokoonpano on sama kuin aiemmin kuvattu. Kaikki anturit saivat virtansa 5 V:n tasavirtakytkentäisestä virtalähteestä. Mikrokontrolleriin piti lisätä uusi ohjelmisto Sensirion-laitteen lukemista varten, ja se perustui Markus Schatzlin ja Carl Jacksonin Sensirion Arduino-kirjastoon.

Viittauskalibrointilähteetkin ovat edelleen samat, yksitoista kylläistä suolaliuosta ja tislattua vettä. Tiedot kerättiin kaikki samalla tavalla kuin aiemminkin, kun antureiden annettiin vakiintua muutaman tunnin ajan kunkin liuoksen kanssa.

Rakennuksen laatu

SHT71 on yli kymmenkertaisella hinnalla yllättävän paljon parempi kuin muut. Se on sekä pienempi että tuntuu vankemmalta. Kullatut Cu/Be-seoksesta valmistetut nastat ovat erittäin tukevat verrattuna DHT22:een, jonka nastat tuntuvat rehellisesti kuin ne olisi tehty paksusta alumiinifoliosta. Huomaa, että SHT71:ssä on 1,27 mm:n erotusnastat, mikä tekee siitä vähemmän helpon kytkeytyä tavallisiin harrastelijoiden 2,54 mm:n Arduinoihin ja leipätauluihin. Asensin omani 2,54 mm:n otsikkolohkoon käsittelyn helpottamiseksi.

Kuva 1. SHT71:n pakkauksen vertailu verrattuna AM2302:een. DHT11 näyttää samankaltaiselta kuin AM2302. Vaikka se on jonkin verran pienempi, myös siinä on 0,1 tuuman erotusnastat. SHT71:ssä on 0,05 tuuman erotusnastat.

Vastausnopeus

SHT71 reagoi johdonmukaisesti nopeimmin muutoksiin rekisteröimällä muutoksen muutamassa sekunnissa. DHT22/AM2302:lla näyttää kestävän noin 30 sekuntia ja DHT11:llä voi kestää pari minuuttia. DHT22 kuitenkin tallentaa lukeman välimuistiin ja palauttaa sen aina, kun arvoa seuraavan kerran pyydetään. Koska otan näytteitä vain 30 sekunnin välein, DHT22:n arvot ovat aina 30 sekunnin ajalta, minkä vuoksi kuvan 2 askelmuutos on 30 sekuntia jäljessä SHT71:stä.

Kaikki anturit (mukaan lukien SHT71) voivat tarvita useita tunteja vakiintuakseen täysin korkeissa kosteuksissa. Vaikka osa tästä voi johtua laitteesta, epäilen, että purkin sisällä olevan ilman tasaantuminen ja kyllästyminen kestää aidosti useita tunteja vaihdon jälkeen. Silti suhteellinen tosiasia, että SHT71 on nopein ja DHT11 hitain, on ilmeisesti todellinen, koska ne kaikki yhdessä mittaavat samaa ilmaa.

Kuva 2. Tyypillinen esimerkki kosteusmittauksista näyteliuoksen vaihtuessa. SHT71:n lähtöarvot reagoivat johdonmukaisesti ensimmäiseen lukemaan muutoksen jälkeen, ja niissä näkyy äkillinen asteittainen muutos. DHT22s reagoi tyypillisesti yhtä näytettä myöhemmin, koska se palauttaa välimuistiin tallennetut, ei uudet mittaukset. DHT11 osoittaa jonkinlaisen vasteen minuutissa tai kahdessa, mutta voi kestää jonkin aikaa, ennen kuin se vähitellen ajautuu kohti uutta mittausta.

Tulokset

Part 1: Kosteuden funktiona

Aluksi tarkastellaan anturin vaihtelevaa vastetta eri referenssikosteuksille, jotka kaikki on mitattu yhdessä kiinteässä lämpötilassa.

Kuva 3. Hygrometristä luettujen arvojen kuvaajat suhteessa tunnettuun vertailukosteuteen. Kuvassa on esitetty kolme epookkia. Vihreä on ajo 1 toukokuulta 2014. Sininen on ajo 2 elokuulta 2014, ja se on jaettu syaanin väriseksi niiden tietojen osalta, joiden tiedetään olevan B:n itselämmityksen korruptoimia, ja tummansiniseksi niiden tietojen osalta, joiden uskotaan olevan hyviä. Punaisella on ajo 3 marraskuulta 2014.

Kuvio 4. Samat tiedot kuin kuvassa 3 ja samat kvadraattiset polynomisovitukset on piirretty uudelleen, mutta pystyakseli on nyt mitattujen ja vertailuarvojen välinen ero. Näissä kuvaajissa esitetään virhe, joka syntyisi, jos käytettäisiin tehtaan kalibroituja arvoja. DHT11:n ja DHT22:n osalta nämä arvot on luettu suoraan anturista ilman uudelleenkalibrointia. SHT71:n osalta nämä arvot on lämpötilakorjattu ja linearisoitu käyttämällä valmistajan tietolehdessä olevia oletusparametreja. Näytetään kolme epookkia. Vihreä on ajo 1 toukokuulta 2014. Sininen on ajo 2 elokuulta 2014, ja se on jaettu syaaniksi niiden tietojen osalta, joiden tiedetään olevan B:n itselämpenemisen korruptoimia, ja tummansiniseksi niiden tietojen osalta, joiden uskotaan olevan hyviä. Punainen on ajo 3 marraskuulta 2014. Harmaalla tummennettu alue on eritelmä tietolehdistä.

Sensirion SHT71

Tämä on antureista paras. Se on lineaarisin, ajan mittaan vakain ja kiistatta se, jolla on pienimmät absoluuttiset poikkeamat, vaikka DHT22-antureiden parhaita poimittaessa ne ovatkin vertailukelpoisia. Se saattaa oikeuttaa hintansa, jos tarvitset lisää tarkkuutta ja erityisesti luotettavuutta. Useimpiin jokapäiväisiin tarkoituksiin muut anturit ovat luultavasti riittäviä lukuun ottamatta anturi B:n itselämmityksen aiheuttamaa törkeää epäjohdonmukaisuutta. Toistettavuudessa ja johdonmukaisuudessa SHT71 näyttää voittavan helposti. Tarkemmat valmistustoleranssit ja laadunvalvonta ovat oletettavasti se, mistä kalliimmissa laitteissa maksetaan. RMS-hajonta sovitusviivan ympärillä on 2 % RH, mutta tämä on vain arvio kokonaistarkkuudesta, jos korjauskäyrää käytetään ja niin kauan kuin korjauskäyrä pysyy muuttumattomana. Huomaa, että 2 prosentin RH-hajonta sisältää sekä laitteeni systemaattiset virheet että antureiden mittausvirheet. Kunkin liuoksen tuottama todellinen kosteus tunnetaan vain noin 2 % RH:n tarkkuudella. Esimerkiksi kaikki anturit antavat 1-2 % odotettua alhaisemmat lukemat ammoniumnitraatille 22 °C:n lämpötilassa, mikä viittaa siihen, että käyttämäni vertailutiedot ovat virheellisiä eivätkä niinkään anturit. Ilman omaa korjauskäyrääni anturin virheet valmistajan oletuskalibroinnin soveltamisen jälkeen ovat jopa 5 %. Kaikki datapisteeni pysyvät lähes valmistajan spesifikaation tummennetun alueen sisällä.

DHT11

Tietolomakkeen mukaan tästä laitteesta ei ole hyötyä alle 20 %:n tai yli 90 %:n kosteudessa, mutta fyysisen mukavuuden kannalta kaikki yli 90 %:n ilmankosteus tuntuu samalta, eli märältä. Samoin alle 20 %:n kosteudessa huuleni alkavat halkeilla, joten monissa käyttökohteissa ero 5 %:n ja 15 %:n välillä ei välttämättä ole tärkeä. Toistettavuus (datapisteiden hajonta) on selvästi huonompi kuin kaikilla muilla antureilla (±5 %), mutta sen absoluuttinen kalibrointi on voimassa olevalla alueella (20 < % RH < 90) lähes yhtä hyvä kuin DHT22:n. Kalibrointikäyrän laatiminen ei ole perusteltua näiden tietojen perusteella, vaikka noin 4 %:n vakiooffset näyttäisi parantavan lukematarkkuutta. Jos anturin B itselämmitys vaikuttaisi viereiseen DH11-anturiin, tarvittava offset voisi olla hieman suurempi. Aloitettiin data-ajo ilman itselämpenevää B-anturia, mutta siitä luovuttiin, kun päätin, etten enää jatka tämän laitteen käyttöä.

DHT22 / AM2302

Asensor A Lukuun ottamatta ajoa 2, jossa viallinen anturi B aiheutti vian, tämä laite näytti hyvältä, kunnes juuri ennen kokeen loppua siitä tuli toinen kuudesta DHT22:sta, joka epäonnistui. Kun se toimi, se näytti jatkuvasti 2 % korkeaa lukemaa.
Asensor B on erittäin ongelmallinen. Toisen data-ajon aikana laite oli viallinen ja kävi kuumana. Kuumuus vaikutti myös sen omaan paikalliseen ympäristöön, joten siitä on vain vähän hyötyä ympäröivien ympäristöolosuhteiden mittarina. Jopa silloin, kun se ei kuumentunut itse ajossa 3, sen käyttäytyminen näyttää muuttuneen jonkin verran. Tämä laite on romutettu.
Asensor C Testattiin vain kerran, jolloin sen tulokset olivat huomattavan samankaltaisia kuin SHT71:llä.
Asensor D on muuttunut enemmän kuin spesifikaatio sallii, mutta on edelleen siedettävä noin 5 prosentin virheen kanssa. Sen muutokset eivät selity anturin B aiheuttamalla paikallisella lämpenemisellä. Minkä tahansa korjauskäyrän soveltaminen parantaisi muita mittauksia, joten se osoittaa jonkinlaista johdonmukaisuutta, mutta se on selvästi muuttunut.
Asensor E näyttää hyvältä. Poikkeama 100 %:n kohdalla voi olla vain pari kirjausvirhettä ajossa 1, ja jos ne jätetään huomiotta, se on pysynyt hyvin johdonmukaisena.
Sensori F on muuttunut vähän mittausten välillä. Valitettavasti sillä on kaikista kalibrointikäyristä aggressiivisin käyrä, mutta se on ainakin pysynyt kohtuullisen vakiona. Jos soveltaisin vanhoista tiedoista johdettua korjauskäyrää, se olisi nytkin voimassa.

Osa 2: Lämpötilan funktiona

Yllä olevat mittaukset tehtiin kiinteissä lämpötiloissa (30 °C ja 22 °C). Seuraavaksi tarkastellaan, miten anturit reagoivat alueella 10-40 °C. Tässä on kaksi erilaista vaikutusta. Haluamme mitata, muuttuuko antureiden vaste lämpötilan myötä, mutta tiedämme, että liuosten tuottama kosteus on itsessään lämpötilaherkkä. Viitearvot” eivät siis ole enää kiinteitä vakioita, vaan lämpötilasta riippuvia kaltevuuksia. DHT22-antureita A, D, E, F, DHT11 ja SHT71 testattiin kaikilla kyllästetyillä liuoksilla, ja kolmen anturin kuvaajat esitetään kuvissa 5, 6 ja 7. Tähän valitut yhdisteet ovat:

• NaCl, koska se on joukostamme ylivoimaisesti eniten tutkittu ja hyvin kalibroitu ja koska sillä on myös heikoin lämpötilariippuvuus. Tämän yhden erikoistapauksen osalta meidän tuskin tarvitsee piirtää kaltevuutta. Kosteus on kiinteä 75 % koko lämpötila-alueellamme.
• NH4NO3, koska se on ainoa mukana oleva yhdiste, jolla on hyvin voimakas lämpötilakerroin. Jos anturit toimivat, sen kaltevuus on voimakas, toisin kuin NaCl:n.
• MgCl on valittu toisena hyvin yleisesti käytettynä yhdisteenä, ja koska se on alhaisen kosteuden alueella, se eroaa kahdesta muusta yhdisteestä.

Kuva 5. DHT22-anturit A,D,E,F, DHT11 ja SHT71 testattu kylläisellä natriumkloridilla lämpötila-alueella 12-35 °C. Vertailun vuoksi yliviivatut arvot on otettu julkaistusta kirjallisuudesta. Vaikka SHT71:n lukema on 1 % korkea, se on ainoa, joka osoittaa oikeaa, lämpötilasta riippumatonta käyttäytymistä. Kaikkien DHT22-anturien kosteuslukemat nousevat lämpötilan myötä, mikä vastaa aiempaa, vain DHT22-anturia koskevaa tutkimustani

Kuva 6. DHT22-anturit A,D,E,F, DHT11 ja SHT71 tyydyttyneellä ammoniumnitraatilla lämpötila-alueella 10-35 °C. Vertailun vuoksi ylipiirrettyinä ovat julkaistusta kirjallisuudesta otetut arvot. Kaksi mittausta suoritettiin parin kuukauden välein. Kaikki anturit havainnollistavat oikein sen, että ammoniumnitraatin liukoisuus riippuu voimakkaasti lämpötilasta, jolloin kosteus kylläisen liuoksen yläpuolella muuttuu lämpötilan mukaan. SHT71 vastaa jälleen parhaiten vertailutietoja. Useimmilla antureilla on 1-2 prosentin poikkeama kahden mittauskerran välillä. Anturi E on pysynyt hyvin johdonmukaisena ajan mittaan, mutta kuten kaikilla DHT-laitteilla, sillä on jälleen taipumus lukea korkeampaa kosteutta kuin sen pitäisi lämpötilan noustessa. Anturi A rikkoutui kahden mittauskerran välillä, ja siitä tuli toinen kuudesta DHT22-laitteestani, joka kuoli. Kuten anturi B, se käyttäytyy salakavalasti ja tuottaa edelleen järkevän näköisiä tuloksia, jotka korreloivat oikein lämpötilan kanssa. Se on yksinkertaisesti 15 %:lla kuitattu.

Kuva 7. DHT22-anturit A,D,E,F, DHT11 ja SHT71 tyydyttyneellä magnesiumkloridilla lämpötila-alueella 10-32 °C. Vertailun vuoksi ylipiirrettyinä ovat julkaistusta kirjallisuudesta otetut arvot. Johtopäätökset ovat yhdenmukaisia aiempien mittausten kanssa. SHT71:n kaltevuus vastaa jälleen parhaiten vertailutietoja, mikä tarkoittaa, että sillä on pienimmät lämpötilaan liittyvät virheet. Kaikilla DHT22:n ulostuloilla on taipumus kasvaa lämpötilan myötä. Vaikka lämpötilakerroin on väärä, anturin A absoluuttinen kalibrointi on tässä tapauksessa kaikkein paras. Valitettavasti pian näiden tietojen ottamisen jälkeen se meni epäkuntoon, kuten kuvasta 6 käy ilmi.

Nämä kuvaajat osoittavat jälleen kerran toistuvasti esitetyn seikan, että nämä kokeet ovat vain niin tarkkoja kuin kalibrointireferenssit ovat käytettävissä, ja kirjallisuudessa on huomattavaa vaihtelua. Katsokaa esimerkiksi ammoniumnitraattia kuvassa 6. Kahdessa SHT71:llä tekemässäni data-ajossa näkyy systemaattinen poikkeama, joka on oletettavasti anturin kalibrointivirhe, mutta tämä poikkeama on vain suunnilleen yhtä suuri kuin Wexlerin ja O’Brienin julkaistujen datasarjojen välinen ero.

Kuvioiden 5 ja 6 välinen hyvin selvä ero osoittaa järjestelmäasennuksen onnistumisen. Kuten DHT22-raportin kuvan 3 kohdalla, ensisijainen johtopäätös tästä on, että voimme selvästi erottaa toisistaan anturin herkkyysmuutokset ja todelliset ympäristömuutokset ja että anturin kalibrointia koskevat johtopäätöksemme ovat päteviä, eivät kokeellisia virheitä.

Osa 3: Lämpötilan ja kosteuden samanaikaisena funktiona

Viimeiseksi, jos anturia aiotaan käyttää kosteuden mittaamiseen vaihtelevien lämpötilojen vaihteluvälien vallitessa, tarvitaan täysi kaksisuuntainen kalibrointi. Tällainen kalibrointi melko maltillisella lämpötila-alueella 10 < °C < 35 on esitetty kuvassa 8. Kuvan 4 käyrät ovat käytännössä näiden pintojen poikkileikkauksia.

Kuva 8. Pinnat, jotka osoittavat anturin ulostulon poikkeaman viitearvosta sekä lämpötilan että suhteellisen kosteuden funktiona. DHT11:n ja DHT22:n arvot on luettu suoraan laitteista. SHT71:n arvot on korjattu lämpötilakorjauksella ja linearisoinnilla käyttäen valmistajan datalehden oletusparametreja. DHT22-laitteen A osalta otan mukaan vain tiedot ajalta ennen äkillistä 15 prosentin muutosta, joten tämä kuvaaja kuvaa, miten se toimi noin 18 kuukauden ajan, mutta ei ole enää voimassa.

Lämpötilojen tarkkuus

Kirjeenvaihtajan pyynnöstä otan mukaan nopean vertailun lämpötilalähdöistä. Laitteessani ei ole ulkoista referenssiä, johon lämpötilan ulostulon voisi kalibroida, ja siksi yksinkertaisesti piirrän suoran vertailun. Tarkkaan ottaen tämä osoittaa vain, että ne ovat yhtäpitäviä, ei sitä, että ne ovat kaikki oikeita, mutta en usko, että on vakavaa epäilystä siitä, että ne ovat riittävän hyviä useimpiin tarkoituksiin. DHT22/AM2302-laitteet vastaavat hyvin SHT71:tä. SHT71 ja E eroavat toisistaan jatkuvasti 0,4 °C:n verran, mikä on suurin näkemäni ero. Useimmat muut poikkeavat toisistaan ∼0,1 °C:n verran. Tämä kaikki vastaa aiempia, vain DHT22/AM2302:sta saamiani tuloksia. DHT11:ssä on enemmän hajontaa, mutta olen tavallisesti nähnyt spesifikaation olevan ±2 °C, ja testilaitteeni tulos oli ±0,7 °C. Olen toisaalla tarkastellut BME280:n absoluuttista lämpömittarin tarkkuutta, mutta tätä testiä ei ole sovellettu näihin antureihin.

Kuva 9. Eri laitteiden lämpötilalähtöjen vertailu. Minulla ei ole syytä epäillä minkään laitteen lämpömittareissa olevan ongelmia.

Johtopäätös

• SHT71 on selvästi parempi kuin DHT22. Se on paremmin valmistettu, vähintään yhtä tarkka, tarkempi ja reagoi nopeammin muutoksiin. Se toki myös maksaa kymmenen kertaa enemmän.
• Erityisen silmiinpistävää on SHT71:n paljon parempi lämmönkestävyys muihin verrattuna. (Esimerkiksi kuva 5.)
• Luotettavuus saattaa oikeuttaa sinulle korkeammat kustannukset. Parin vuoden jälkeen yksittäinen SHT71:ni toimii hienosti.
• Kahdessa kuudesta DHT22/AM2303-laitteestani on tullut vikaa. Eliniän odote on noin yhdestä kahteen vuotta.
• 18 kuukauden yhtäjaksoisen käytön jälkeen vain yksi kuudesta DHT22 / AM2303-laitteestani (laite E) pystyy vastaamaan SHT71-laitteeni suorituskykyyn. On tietysti mahdollista, että sain yhden hyvän SHT71:n, mutta en pidä sitä todennäköisenä.
• DHT22 on varmasti parempi kuin DHT11 ja oikeuttaa helposti lisähintansa. En vaivaudu leikkimään DHT11:n kanssa enempää, mutta se varmasti toimii, jos on tarvetta halvalle, matalamman speksin laitteelle.