Comparer DHT22, DHT11 et Sensirion SHT71

Introduction

Mes résultats publiés précédemment comparaient six hygromètres AM2302 (alias DHT22, RHT03 et j’utilise les noms de manière interchangeable tout au long). Je répète ici cette expérience en utilisant le même appareil et les mêmes techniques mais en remplaçant deux des capteurs par d’autres modèles, un DHT11 et un Sensirion SHT71. Les objectifs du travail précédent étaient d’établir si un capteur aussi bon marché que l’AM2302/DHT22 pouvait être à la hauteur de la précision annoncée. J’ai conclu que dans mes expériences, ce n’était pas le cas, mais qu’ils offraient des performances étonnamment bonnes et un très bon rapport qualité-prix pour la plupart des projets de bricolage domestiques non critiques en matière de sécurité. La prochaine question évidente est de savoir si mes tests montreraient qu’un appareil plus cher est meilleur. Puisque je refaisais l’expérience, j’ai également inclus le DHT11, encore moins cher et de spécification inférieure.

Les fiches techniques des dispositifs DHT11 et DHT22 ont tendance à être brèves. Les chiffres du tableau suivant apparaissent sur les fiches techniques et sont généralement cités par les détaillants. La fiche technique de Sensirion, en revanche, est détaillée et complète, fournissant la précision en fonction de l’humidité ainsi que des détails sur les procédures d’étalonnage et de linéarisation recommandées. Notez comment les revendications de précision absolue de Sensirion sont moins strictes et plus crédibles que celles normalement citées pour les dispositifs DHT.

MISE À JOUR : Depuis la première écriture de cette page, une fiche technique bien améliorée est récemment apparue qui contient à la fois des traductions plus claires en anglais et des spécifications et des tracés plus détaillés. Elle revendique toujours une précision typique de ±2%, mais montre maintenant que la précision se dégrade à ±5% aux deux limites extrêmes, <10% et >90%

La mesure précise et répétable de l’humidité relative est notoirement délicate. Les procédures utilisées ici ont été développées sur une période d’environ un an et sont détaillées sur ma page de calibration du DHT22/AM2302. Je ne suis pas un expert en hygrométrie. J’ai juste conçu la meilleure expérience possible en me basant sur la lecture de plusieurs articles sur le sujet et en utilisant quelques articles d’équipement ménager que j’avais à portée de main.

Les appareils et l’appareillage de test

Les appareils AM2302/DHT22 sont les mêmes unités que j’ai utilisées précédemment. Il s’agit de A,B,D,E et F de mon précédent écrit. Bien que cinq soient mentionnés, seuls quatre étaient en test à un moment donné. Le capteur B est tombé en panne pendant l’expérience et a été remplacé par E. J’ai ajouté un DHT11 et un Sensirion SHT71.

La configuration de l’appareil est celle décrite précédemment. Tous les capteurs ont été alimentés par une alimentation à découpage de 5V d.c.. Un nouveau logiciel a dû être ajouté au microcontrôleur pour lire le dispositif Sensirion et était basé sur la bibliothèque Arduino Sensirion de Markus Schatzl et Carl Jackson.

Les sources d’étalonnage de référence sont toujours les mêmes aussi, onze solutions salines saturées et de l’eau distillée. Les données ont toutes été recueillies de la même manière qu’auparavant, les capteurs étant autorisés à se stabiliser pendant quelques heures avec chaque solution.

Qualité de la construction

À plus de dix fois le prix, le SHT71 est sans surprise bien supérieur aux autres. Elle est à la fois plus petite et plus solide au toucher. Les broches en alliage Cu/Be plaqué or sont très robustes par rapport au DHT22 sur lequel les broches donnent honnêtement l’impression d’être faites d’une feuille d’aluminium épaisse. Notez que la SHT71 a des broches de séparation de 1,27 mm, ce qui la rend moins facile à connecter aux Arduinos de 2,54 mm et aux cartes à pain. J’ai monté le mien dans un bloc d’en-tête de 2,54mm pour une manipulation facile.

Figure 1. Comparaison de l’emballage de la SHT71 par rapport à l’AM2302. Le DHT11 ressemble à l’AM2302. Bien qu’un peu plus petit, il a également des broches de séparation de 0,1″. La SHT71 a des broches de séparation de 0,05″.

Vitesse de réponse

La SHT71 a toujours répondu aux changements le plus rapidement, enregistrant un changement en quelques secondes. Le DHT22/AM2302 semble prendre environ 30 secondes et le DHT11 peut prendre quelques minutes. Cependant, le DHT22 met en cache une lecture en mémoire et la renvoie à la prochaine demande de valeur. Comme je n’échantillonne que toutes les 30sec, les valeurs du DHT22 sont toujours de 30secago, ce qui explique pourquoi le changement de pas dans la figure 2 est en retard de 30sec sur le SHT71.

Tous les capteurs (y compris le SHT71) peuvent prendre plusieurs heures pour se stabiliser complètement à des humidités élevées. Bien qu’une partie de cela puisse être le dispositif, je soupçonne qu’il faut véritablement plusieurs heures pour équilibrer et saturer l’air à l’intérieur du bocal après un échange. Malgré tout, le fait relatif que le SHT71 est le plus rapide et le DHT11 le plus lent est évidemment réel puisqu’ils mesurent tous ensemble le même air.

Figure 2. Un exemple typique de mesures d’humidité lorsque la solution d’échantillon est changée. Les valeurs de sortie du SHT71 répondent systématiquement à la première lecture après le changement et montre un changement brusque par étapes. Le DHT22s répond typiquement un échantillon plus tard parce qu’il renvoie les mesures mises en cache et non les nouvelles. Le DHT11 montre une sorte de réponse avec une minute ou deux, mais peut prendre un certain temps pour dériver progressivement vers la nouvelle mesure.

Résultats

Partie 1 : En fonction de l’humidité

D’abord, nous examinons la réponse variable du capteur à différentes humidités de référence, toutes mesurées à une seule température fixe.

Figure 3. Tracés des valeurs lues sur l’hygromètre par rapport à l’humidité de référence connue. Trois époques sont représentées. Le vert correspond à l’exécution 1 de mai 2014. Les bleus correspondent à l’exécution 2 d’août 2014 et sont divisés en cyan pour les données connues pour être corrompues par l’auto-échauffement de B et en bleu foncé pour les données considérées comme bonnes. Les rouges sont le run 3 de novembre 2014.

Figure 4. Les mêmes données que la figure 3 avec les mêmes ajustements polynomiaux quadratiques sont replotées mais l’axe vertical est maintenant la différence entre les valeurs mesurées et de référence. Ces graphiques présentent l’erreur qui résulterait de l’utilisation des valeurs étalonnées en usine. Pour DHT11 et DHT22, ces valeurs sont lues directement à partir du capteur sans aucun ré-étalonnage. Pour SHT71, ces valeurs ont été corrigées en température et linéarisées en utilisant les paramètres par défaut de la fiche technique du fabricant. Trois époques sont présentées. Le vert correspond à l’essai 1 de mai 2014. Les bleus correspondent à l’exécution 2 d’août 2014 et sont divisés en cyan pour les données connues pour être corrompues par l’auto-échauffement de B et en bleu foncé pour les données considérées comme bonnes. Les rouges correspondent à l’exécution 3 de novembre 2014. La zone grisée est la spécification des feuilles de données.

Sensirion SHT71

C’est le meilleur des capteurs. C’est le plus linéaire, le plus stable dans le temps et sans doute celui qui présente les plus petits écarts absolus bien qu’en cherchant le meilleur des DHT22, ils soient comparables. Il peut justifier son coût si vous avez besoin de cette précision supplémentaire, et surtout de cette fiabilité. Pour la plupart des usages quotidiens, les autres capteurs sont probablement adéquats, à l’exception de l’incohérence flagrante causée par l’auto-échauffement du capteur B. La répétabilité et la cohérence sont les points sur lesquels la SHT71 semble gagner facilement. Les tolérances de fabrication plus fines et le contrôle de la qualité sont probablement ce pour quoi vous payez avec les appareils plus chers. La dispersion RMS autour de la ligne d’ajustement est de 2%HR, mais il s’agit uniquement d’une estimation de la précision globale si la courbe de correction est appliquée et tant que cette courbe de correction reste inchangée. Notez que cette dispersion de 2%RH inclut les erreurs systématiques de mon appareil ainsi que les erreurs de mesure des capteurs. L’humidité réelle générée par chaque solution n’est connue qu’à environ 2%HR. Par exemple, tous les capteurs donnent des valeurs inférieures de 1-2% à celles attendues pour le nitrate d’ammonium à 22°C, ce qui suggère que ce sont les données de référence que j’utilise qui sont erronées plutôt que les capteurs. Sans ma propre courbe de correction, les erreurs du capteur après application de l’étalonnage par défaut du fabricant à partir de la fiche technique atteignent 5%. Tous mes points de données restent presque dans la zone ombrée de la spécification du fabricant.

DHT11

Comme spécifié sur la fiche technique, cet appareil n’est d’aucune utilité en dessous de 20 % ou au-dessus de 90 %, mais alors en termes de confort physique, tout ce qui est au-dessus de 90 % d’humidité donne la même sensation, c’est-à-dire qu’il est humide. De même, à tout ce qui est inférieur à 20 %, mes lèvres commencent à craquer, donc pour de nombreuses utilisations, la différence entre 5 % et 15 % peut ne pas être importante. La répétabilité (dispersion des points de données) est nettement moins bonne que celle de tous les autres capteurs (±5%) mais dans sa plage de validité (20 < %HR < 90), son étalonnage absolu est presque aussi bon que celui des DHT22. Une courbe d’étalonnage n’est pas justifiée par ces données, bien qu’un décalage constant d’environ 4% semble améliorer la précision de la lecture. Si l’auto-échauffement du capteur B affectait le DH11 adjacent, le décalage requis pourrait être légèrement supérieur. Une série de données sans l’auto-échauffement de B a été commencée, mais ensuite abandonnée lorsque j’ai décidé de ne plus poursuivre l’utilisation de cet appareil.

DHT22 / AM2302

Capteur A En ignorant la manche 2 qui a été corrompue par le capteur B défectueux, ce dispositif semblait bon jusqu’à juste avant la fin de l’expérience où il est devenu le deuxième des six DHT22 à tomber en panne. Lorsqu’il fonctionnait, il lisait constamment 2 % de haut.
Le capteur B est très problématique. Pendant la deuxième série de données, le dispositif était défectueux et fonctionnait à chaud. La chaleur influençait également son propre environnement local, de sorte qu’il a peu d’utilité comme mesure des conditions ambiantes environnantes. Même lorsqu’il ne s’auto-chauffait pas au cours de la troisième série de données, son comportement semble avoir changé dans une certaine mesure. Ce dispositif a été mis au rebut.
Capteur C Seulement testé une fois au cours de laquelle ses résultats ont été remarquablement similaires à ceux du SHT71.
Capteur D a changé plus que la spécification ne le permet, mais est encore tolérable avec une erreur de 5% environ. Ses changements ne s’expliquent pas par le chauffage local du capteur B. L’application de l’une des courbes de correction améliorerait les autres mesures, de sorte qu’il montre une certaine cohérence, mais il a clairement changé.
Le capteur E semble bon. La divergence à 100% pourrait juste être un couple d’erreurs d’enregistrement de données dans le run 1 et si vous deviez les ignorer, il est resté très cohérent.
Le capteur F a peu changé entre les mesures. Malheureusement, il a la courbe la plus agressive de toutes les courbes d’étalonnage, mais il est au moins resté raisonnablement constant. Si j’appliquais une courbe de correction dérivée des anciennes données, elle serait encore valable maintenant.

Partie 2 : en fonction de la température

Les mesures ci-dessus ont été effectuées à des températures fixes (30°C et 22°C). Ensuite, nous regardons comment les capteurs réagissent sur la plage 10-40 °C. Il y a deux effets à démêler. Nous souhaitons mesurer si la réponse des capteurs change avec la température, mais nous savons que l’humidité générée par les solutions est elle-même sensible à la température. Les « valeurs de référence » ne sont donc plus des constantes fixes, mais des pentes dépendant de la température. Les capteurs DHT22 A,D,E,F, le DHT11 et le SHT71 ont été testés avec toutes les solutions saturées et les graphiques pour trois d’entre eux sont présentés dans les figures 5, 6 et 7. Les composés sélectionnés ici sont :

• NaCl parce qu’il est de loin le plus étudié et le mieux calibré de notre ensemble et aussi parce qu’il présente la plus faible dépendance à la température. Pour ce cas particulier, nous n’avons guère besoin de tracer une pente. L’humidité est fixée à 75% sur toute notre gamme de température.
• NH4NO3 parce que c’est le seul composé inclus avec un coefficient de température très fort. Si les capteurs fonctionnent, cela montrera une forte pente en contraste marqué avec NaCl.
• MgCl sélectionné comme un autre composé très couramment utilisé et étant dans la gamme de faible humidité, distinct des deux autres.

Figure 5. Les capteurs DHT22 A,D,E,F, le DHT11 et le SHT71 testés avec du chlorure de sodium saturé sur la plage de température 12-35°C. Les valeurs tirées de la littérature publiée sont représentées en surimpression pour comparaison. Bien qu’il affiche une valeur élevée de 1%, le SHT71 est le seul à montrer un comportement correct, indépendant de la température. Tous les DHT22 montrent des lectures d’humidité qui augmentent avec la température, ce qui est cohérent avec mon étude précédente sur les DHT22 uniquement

Figure 6. Les capteurs DHT22 A,D,E,F, le DHT11 et le SHT71 avec du nitrate d’ammonium saturé sur la plage de température 10-35°C. Les valeurs tirées de la littérature publiée sont représentées en surimpression pour comparaison. Deux séries de données ont été obtenues à quelques mois d’intervalle. Tous les capteurs illustrent correctement le fait que la solubilité du nitrate d’ammonium dépend fortement de la température, ce qui fait que l’humidité au-dessus de la solution saturée change avec la température. Une fois de plus, le SHT71 correspond le mieux aux données de référence. La plupart des capteurs présentent une dérive de 1 à 2 % entre les deux séries de données. Le capteur E est resté très stable dans le temps, bien que, comme tous les appareils DHT, il ait tendance à afficher une humidité plus élevée qu’il ne le devrait lorsque la température augmente. Le capteur A est tombé en panne entre les deux séries de données et est devenu le deuxième de mes six DHT22 à mourir. Comme pour le capteur B, il présente le comportement insidieux de produire encore des résultats d’apparence raisonnable qui sont correctement corrélés avec la température. Il est simplement décalé de 15%.

Figure 7. Les capteurs DHT22 A,D,E,F, le DHT11 et le SHT71 avec du chlorure de magnésium saturé sur la plage de température 10-32°C. Les valeurs tirées de la littérature publiée sont représentées en surimpression pour comparaison. Les conclusions sont cohérentes avec les mesures précédentes. La pente du SHT71 correspond à nouveau le mieux aux données de référence, ce qui signifie qu’il présente les plus petites erreurs liées à la température. Les sorties du DHT22 ont toutes une tendance à augmenter avec la température. Bien que le coefficient de température soit faux, l’étalonnage absolu du capteur A est ici le meilleur du lot. Malheureusement, peu de temps après avoir pris ces données, il a échoué comme illustré dans la figure 6.

Ces tracés démontrent à nouveau un point souligné à plusieurs reprises que ces expériences ne sont aussi précises que la disponibilité des références d’étalonnage et la littérature montre une variation considérable. Regardez par exemple le nitrate d’ammonium dans la figure 6. Mes deux exécutions de données avec le SHT71 montrent un décalage systématique qui est vraisemblablement une dérive d’étalonnage du capteur, mais ce décalage n’est qu’à peu près le même que l’écart entre les ensembles de données publiés de Wexler et O’Brien.

La différence très évidente entre les figures 5 et 6 démontre le succès de la configuration du système. Comme pour la figure 3 sur le rapport DHT22, la principale conclusion de ceci est que nous pouvons clairement différencier les changements de sensibilité du capteur et les véritables changements environnementaux et que nos conclusions concernant le calibraton du capteur sont valides, et non une erreur expérimentale.

Partie 3 : En tant que fonction simultanée de la température et de l’humidité

Enfin, si un capteur doit être utilisé pour mesurer l’humidité sous une gamme de températures variables, un calibrage bivarié complet est nécessaire. Un tel étalonnage sur la plage de température plutôt modérée 10 < °C < 35 est illustré à la figure 8. Les courbes de la figure 4 sont effectivement des sections transversales à travers ces surfaces.

Figure 8. Surfaces représentant l’écart de la sortie du capteur par rapport à la valeur de référence en fonction de la température et de l’humidité relative. Les valeurs sont pour DHT11 et DHT22 sont lues directement à partir des appareils. Les valeurs de SHT71 ont été corrigées en température et linéarisées en utilisant les paramètres par défaut de la fiche technique du fabricant. Pour le dispositif A de DHT22, je n’inclus que les données d’avant le changement soudain de 15%, donc ce tracé représente comment il s’est comporté pendant environ 18mois mais n’est plus valide.

Précision de la température

À la demande d’un correspondant, j’inclus une comparaison rapide des sorties de température. Mon appareil ne contient aucune référence externe par rapport à laquelle étalonner la sortie de température et je trace donc simplement une comparaison directe. Strictement, cela montre seulement qu’ils sont en accord, pas qu’ils sont tous corrects, mais je ne pense pas qu’il y ait de doute sérieux sur le fait qu’ils sont assez bons pour la plupart des objectifs. Les dispositifs DHT22/AM2302 correspondent bien à la SHT71. Les SHT71 et E diffèrent d’une constante de 0,4°C, la plus grande divergence que j’ai vue. La plupart des autres appareils diffèrent de ∼0,1°C. Tout ceci est cohérent avec mes résultats précédents concernant uniquement la DHT22/AM2302. Le DHT11 présente une plus grande dispersion, mais j’ai normalement vu que la spécification était de ±2°C et mon appareil de test a donné ±0.7°C. J’ai examiné ailleurs la précision absolue du thermomètre du BME280, mais ce test n’a pas été appliqué à ces capteurs.

Figure 9. Comparaison des sorties de température des différents appareils. Je n’ai aucune raison de soupçonner des problèmes avec les thermomètres dans aucun des appareils.

Conclusion

• La SHT71 est clairement supérieure à la DHT22. Il est mieux fait, au moins aussi exact, plus précis et réagit plus rapidement aux changements. Il coûte bien sûr dix fois plus cher.
• Particulièrement frappante est la bien meilleure stabilité thermique de la SHT71 par rapport aux autres. (Par exemple, la figure 5.)
• La fiabilité peut justifier le coût plus élevé pour vous. Après quelques années, mon unique SHT71 fonctionne bien.
• Deux de mes six dispositifs DHT22 / AM2303 sont tombés en panne. L’espérance de vie est d’environ un à deux ans.
• Après 18 mois de fonctionnement continu, seul un de mes six appareils DHT22 / AM2303 (appareil E) est capable d’égaler les performances de mon SHT71. Bien sûr, il est possible que j’ai eu le seul bon SHT71, mais je ne considère pas cela comme probable.
• Le DHT22 est certainement meilleur que le DHT11 et justifie facilement son coût supplémentaire. Je ne vais pas m’embêter à jouer avec le DHT11 plus loin, mais il fonctionne certainement si vous avez besoin d’un appareil bon marché et de moindre spécification.