DHT22, DHT11 és Sensirion SHT71 összehasonlítása

Bevezetés

A korábban publikált eredményeimben hat AM2302 (más néven DHT22, RHT03, a neveket végig felcserélve használom) higrométert hasonlítottam össze. Itt megismétlem ezt a kísérletet ugyanazzal a készülékkel és technikával, de két érzékelőt alternatív modellekre, egy DHT11-re és egy Sensirion SHT71-re cserélek. A korábbi munka célja az volt, hogy megállapítsuk, hogy egy olyan olcsó érzékelő, mint az AM2302/DHT22, képes-e megfelelni az állított pontosságnak. A következtetésem az volt, hogy a kísérleteim során nem, de meglepően jó teljesítményt és nagyon jó ár-érték arányt nyújtottak a legtöbb nem biztonságkritikus, otthoni barkácsprojekthez. A következő nyilvánvaló kérdés az, hogy tesztjeim szerint egy drágább eszköz jobbnak bizonyulna-e. Mivel a kísérletet újra lefuttattam, a még olcsóbb és alacsonyabb specifikációjú DHT11-et is bevontam.

A DHT11 és DHT22 készülékek adatlapjai általában rövidek. Az alábbi táblázatban szereplő számok az adatlapokon szerepelnek, és jellemzően a kiskereskedők által megadott számok. A Sensirion adatlapja ezzel szemben részletes és átfogó, amely a pontosságot a páratartalom függvényében, valamint az ajánlott kalibrálási és linearizálási eljárások részleteit tartalmazza. Vegye figyelembe, hogy a Sensirion abszolút pontosságra vonatkozó állításai kevésbé szigorúak és hihetőbbek, mint a DHT-eszközökre általában feltüntetett adatok.

UPDATE: Az oldal első írása óta nemrég megjelent egy sokkal jobb adatlap, amely tartalmazza mind a világosabb angol fordítást, mind a részletesebb specifikációkat és ábrákat. Továbbra is ±2%-os tipikus pontosságot állít, de most már mutatja, hogy a pontosság ±5%-ra csökken a két szélső határértéknél, <10% és >90%

A relatív páratartalom pontos és ismételhető mérése közismerten trükkös. Az itt használt eljárásokat körülbelül egy év alatt dolgoztam ki, és a DHT22/AM2302 kalibrációs oldalamon részletesen ismertetem. Nem vagyok a higrométerek szakértője. Csak a legjobb kísérletet dolgoztam ki, amit csak tudtam, a témával kapcsolatos számos tanulmány elolvasása alapján, és néhány olyan háztartási eszköz felhasználásával, ami nálam hevert.

A készülékek és tesztkészülékek

Az AM2302/DHT22 készülékek ugyanazok a készülékek, amelyeket korábban használtam. Ezek A,B,D,E és F az előző írásomból. Bár öt van megemlítve, egyszerre csak négy volt tesztelés alatt. A B érzékelő a kísérlet során meghibásodott, és helyébe E lépett. Hozzáadtam egy DHT11-et és egy Sensirion SHT71-et.

A berendezés beállítása a korábban leírtak szerint történt. Minden érzékelőt egy 5V-os egyenáramú kapcsoló tápegységről tápláltam. A mikrokontrollerhez új szoftvert kellett hozzáadni a Sensirion eszköz olvasásához, amely Markus Schatzl és Carl Jackson Sensirion Arduino könyvtárán alapult.

A referencia kalibrációs források is ugyanazok maradtak, tizenegy telített sóoldat és desztillált víz. Az adatok gyűjtése a korábbiakhoz hasonló módon történt, az érzékelőket néhány órán át hagytuk stabilizálódni minden egyes oldattal.

Az építés minősége

Az SHT71 több mint tízszeres áron nem meglepő módon messze felülmúlja a többit. Egyrészt kisebb, másrészt masszívabbnak tűnik. Az aranyozott Cu/Be ötvözetű csapok nagyon masszívak a DHT22-hez képest, amelyen a csapok őszintén úgy érzik, mintha vastag alumíniumfóliából készültek volna. Vegye figyelembe, hogy az SHT71 1,27 mm-es elválasztó csapokkal rendelkezik, ami kevésbé könnyűvé teszi a közös hobbista 2,54 mm-es Arduinókhoz és kenyértáblákhoz való csatlakoztatást. Az enyémet egy 2,54 mm-es fejlécblokkba szereltem a könnyebb kezelhetőség érdekében.

1. ábra. Az SHT71 és az AM2302 csomagolásának összehasonlítása. A DHT11 hasonlóan néz ki, mint az AM2302. Bár valamivel kisebb, de szintén 0,1″-os elválasztású csapokkal rendelkezik. Az SHT71 0,05″-os elválasztó csapokkal rendelkezik.

Válaszsebesség

Az SHT71 következetesen a leggyorsabban reagált a változásokra, néhány másodperc alatt regisztrálta a változást. A DHT22/AM2302 úgy tűnik, hogy körülbelül 30 másodpercig, a DHT11 pedig néhány percig is eltarthat. A DHT22 azonban gyorsítótárazza a leolvasott értéket a memóriában, és visszaadja azt, amikor legközelebb értéket kérünk. Mivel csak 30 másodpercenként veszek mintát, a DHT22 értékei mindig 30 másodpercesek, ezért a 2. ábrán látható lépésváltás 30 másodperccel elmarad az SHT71-től.

Minden érzékelőnek (beleértve az SHT71-et is) több órát is igénybe vehet, hogy magas páratartalom mellett teljesen stabilizálódjon. Bár ennek egy része lehet, hogy a készüléknek köszönhető, gyanítom, hogy valóban több órába telik, hogy kiegyenlítődjön és telítődjön a levegő az edényben a cserét követően. Mégis, az a relatív tény, hogy az SHT71 a leggyorsabb, a DHT11 pedig a leglassabb, nyilvánvalóan valós, mivel ezek együtt ugyanazt a levegőt mérik.

2. ábra. A páratartalom-mérések tipikus példája a mintaoldat változása során. Az SHT71 kimeneti értékei következetesen reagálnak a változást követő első leolvasásra, és hirtelen lépcsőzetes változást mutatnak. A DHT22s jellemzően egy mintával később reagál, mivel nem új, hanem gyorsítótárazott méréseket ad vissza. A DHT11 egy-két perc alatt mutat valamilyen választ, de eltarthat egy ideig, amíg fokozatosan az új mérés felé sodródik.

Eredmények

1. rész: A páratartalom függvényében

Először megnézzük az érzékelő változó válaszát különböző referencia páratartalmakra, mindegyiket egyetlen rögzített hőmérsékleten mérve.

3. ábra. A higrométerről leolvasott értékek ábrái az ismert referencia-páratartalom ellenében. Három epocha látható. A zöld az 1. futás 2014 májusából. A kék a 2014. augusztusi 2. futtatás, és fel van osztva ciánkékre a B önmelegedése miatt ismert hibás adatokra és sötétkékre a jónak vélt adatokra. A piros a 2014. novemberi 3. futtatás.

4. ábra. Ugyanazokat az adatokat ábrázoljuk újra, mint a 3. ábrán, ugyanazokkal a kvadratikus polinom illesztésekkel, de a függőleges tengely most a mért és a referenciaértékek közötti különbség. Ezek az ábrák azt a hibát mutatják, amely a gyári kalibrált értékek használatából adódna. A DHT11 és DHT22 esetében ezeket közvetlenül az érzékelőből olvasták le, újrakalibrálás nélkül. Az SHT71 esetében ezeket az értékeket hőmérsékletkorrigáltuk és linearizáltuk a gyártó adatlapján szereplő alapértelmezett paraméterek felhasználásával. Három epocha van feltüntetve. A zöld a 2014. májusi 1. futás. A kék a 2014. augusztusi 2. futtatás, és fel van osztva ciánszínűre a B önmelegedése miatt ismert hibás adatokra és sötétkékre a jónak vélt adatokra. A piros a 2014. novemberi 3. futtatás. A szürke árnyékolt terület az adatlapok specifikációja.

Sensirion SHT71

Ez a legjobb érzékelő. Ez a leglineárisabb, legstabilabb az idő múlásával, és vitathatatlanul a legkisebb abszolút eltérésekkel rendelkezik, bár a DHT22-esek közül a legjobbat kiválasztva, ezek összehasonlíthatóak. Igazolhatja az árát, ha szükséged van erre az extra pontosságra, és különösen a megbízhatóságra. A legtöbb mindennapi célra a többi érzékelő valószínűleg megfelelő, kivéve a B érzékelő önmelegedése által okozott durva következetlenséget. A megismételhetőség és a következetesség az, ahol az SHT71 könnyedén győzni látszik. A finomabb gyártási tűréshatárok és a minőségellenőrzés az, amiért feltehetően a drágább eszközök esetében fizetni kell. Az illeszkedési vonal körüli RMS szórás 2%RH, de ez csak egy becslés az általános pontosságra, ha a korrekciós görbét alkalmazzák, és mindaddig, amíg a korrekciós görbe változatlan marad. Vegye figyelembe, hogy a 2%RH szórás magában foglalja a készülékem szisztematikus hibáit, valamint az érzékelők mérési hibáit is. Az egyes megoldások által generált valódi páratartalom csak körülbelül 2% RH-ig ismert. Például az összes érzékelő 1-2%-kal alacsonyabb értékeket ad az ammónium-nitrátra 22°C-on a vártnál, ami arra utal, hogy inkább az általam használt referenciaadatok hibásak, mint az érzékelők. A saját korrekciós görbém nélkül az érzékelő hibái a gyártó által az adatlapon megadott alapértelmezett kalibráció alkalmazása után akár 5%-osak is lehetnek. Minden adatpontom majdnem a gyártó specifikációjának árnyékolt területén belül marad.

DHT11

Az adatlapon megadottak szerint ez a készülék 20% alatt és 90% felett nem használható, de a fizikai kényelem szempontjából 90% feletti páratartalom ugyanolyan érzés, azaz nedves. Hasonlóképpen 20% alatt az ajkaim elkezdenek repedezni, így sok felhasználásnál az 5% és 15% közötti különbség nem feltétlenül fontos. Az ismételhetőség (az adatpontok szórása) jelentősen rosszabb, mint az összes többi érzékelőé (±5%), de az érvényes tartományon belül (20 < %RH < 90) az abszolút kalibráció majdnem olyan jó, mint a DHT22-é. A kalibrációs görbét ezek az adatok nem indokolják, bár úgy tűnik, hogy egy állandó, kb. 4%-os eltolás javítaná a leolvasás pontosságát. Ha a B érzékelő önmelegedése hatással lenne a szomszédos DH11-re, akkor a szükséges eltolás valamivel nagyobb lehetne. Elkezdtem egy adatfuttatást a B önfűtés nélkül, de elvetettem, amikor úgy döntöttem, hogy nem használom tovább ezt a készüléket.

DHT22 / AM2302

A érzékelő A Figyelmen kívül hagyva a 2. futtatást, amely a hibás B érzékelő miatt hibás volt, ez az eszköz jól nézett ki, egészen a kísérlet vége előtt, amikor a hat DHT22 közül másodikként hibásodott meg. Amikor működött, következetesen 2%-os értéket mutatott.
A B érzékelő nagyon problémás. A második adatfutás során az eszköz meghibásodott és forrón futott. A hőség a saját helyi környezetét is befolyásolta, így a környező környezeti feltételek mérésére kevéssé használható. Még akkor is, amikor a 3. futtatás során nem volt önfűtés, úgy tűnik, hogy a viselkedése bizonyos mértékig megváltozott. Ezt az eszközt selejtezték.
C érzékelő Csak egyszer tesztelték, amely során az eredményei feltűnően hasonlóak voltak az SHT71-hez.
D érzékelő többet változott, mint amennyit a specifikáció megenged, de még mindig tolerálható, kb. 5%-os hibával. Változásait nem magyarázza a B érzékelőből származó helyi felmelegedés. A korrekciós görbék bármelyikének alkalmazása javítaná a többi mérést, így némi következetességet mutat, de egyértelműen megváltozott.
Az E érzékelő jónak tűnik. A 100%-os eltérés csak néhány adatrögzítési hiba lehetett az 1. futtatásban, és ha ezeket figyelmen kívül hagynánk, akkor is nagyon konzisztens maradt.
Az F érzékelő alig változott a mérések között. Sajnos az összes kalibrációs görbe közül ez a legagresszívebben görbült, de legalább ésszerűen állandó maradt. Ha a régi adatokból származtatott korrekciós görbét alkalmaznám, az most is érvényes lenne.

2. rész: A hőmérséklet függvényében

A fenti méréseket rögzített hőmérsékleten (30°C és 22°C) végeztük. Ezután megnézzük, hogyan reagálnak az érzékelők a 10-40 °C közötti tartományban. Két hatást kell szétválasztani. Szeretnénk mérni, hogy a szenzorok reakciója változik-e a hőmérséklet függvényében, de tudjuk, hogy az oldatok által keltett nedvesség maga is hőmérsékletérzékeny. A “referenciaértékek” tehát már nem fix konstansok, hanem hőmérsékletfüggő meredekségek. A DHT22 A,D,E,F érzékelőket, a DHT11 és az SHT71 érzékelőket az összes telített oldattal teszteltük, és az 5., 6. és 7. ábrán három érzékelő grafikonja látható. Az alábbi vegyületeket választottuk ki a felvételre:

• NaCl, mert ez a messze legtöbbet vizsgált és jól kalibrált vegyület a készletünkből, és azért is, mert ennek a leggyengébb a hőmérsékletfüggése. Erre az egy speciális esetre aligha kell meredekséget ábrázolnunk. A páratartalom a teljes hőmérséklet-tartományban fix 75%.
• NH4NO3, mert ez az egyetlen olyan vegyület, amely nagyon erős hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik. Ha a szenzorok működnek, akkor ez egy erős meredekséget fog mutatni, ami éles ellentétben áll a NaCl-lel.
• MgCl, amit azért választottunk, mert egy másik nagyon gyakran használt vegyület, és mivel az alacsony páratartalom tartományban van, különbözik a másik kettőtől.

5. ábra. A,D,D,E,F DHT22 érzékelők, a DHT11 és az SHT71 telített nátrium-kloriddal tesztelt érzékelők a 12-35°C-os hőmérséklet-tartományban. Az összehasonlítás érdekében felül ábrázoltak a publikált irodalomból vett értékek. Bár 1%-kal magasabb értéket mutat, az SHT71 az egyetlen, amely helyes, hőmérséklettől független viselkedést mutat. Az összes DHT22 a hőmérséklettel emelkedő páratartalom-értékeket mutat, ami összhangban van a korábbi, csak DHT22-re vonatkozó tanulmányommal

6. ábra. A,D,D,E,F DHT22 érzékelők, a DHT11 és az SHT71 szenzorok telített ammónium-nitráttal a 10-35°C-os hőmérséklet-tartományban. Az összehasonlítás érdekében felül ábrázoltak a publikált irodalomból vett értékek. Két adatfutás történt néhány hónap különbséggel. Minden érzékelő helyesen szemlélteti azt a tényt, hogy az ammónium-nitrát oldhatósága erősen hőmérsékletfüggő, ami a telített oldat feletti páratartalom hőmérsékletfüggését okozza. Az SHT71 ismét a legjobban megfelel a referenciaadatoknak. A legtöbb érzékelő 1-2%-os eltérést mutat a két adatfutás között. Az E érzékelő az idők során nagyon konzisztens maradt, bár mint az összes DHT-eszköz esetében, itt is megfigyelhető az a tendencia, hogy a hőmérséklet emelkedésével magasabb páratartalmat mutat, mint kellene. Az A érzékelő a két adatfutás között meghibásodott, és a hat DHT22 készülékem közül ez volt a második, amelyik elpusztult. A B érzékelőhöz hasonlóan ez is azt az alattomos viselkedést mutatja, hogy még mindig értelmesnek tűnő eredményeket produkál, amelyek helyesen korrelálnak a hőmérséklettel. Egyszerűen csak 15%-kal eltolódott.

7. ábra. A,D,D,E,F DHT22 érzékelők, a DHT11 és az SHT71 telített magnézium-kloriddal a 10-32°C közötti hőmérséklet-tartományban. Az összehasonlítás érdekében felül ábrázolva a publikált irodalomból vett értékek. A következtetések összhangban vannak a korábbi mérésekkel. Az SHT71 meredeksége ismét a legjobban megfelel a referenciaadatoknak, ami azt jelenti, hogy a legkisebb a hőmérséklethez kapcsolódó hiba. A DHT22 kimenetei mindegyike hajlamos a hőmérséklet növekedésére. Bár a hőmérsékleti együttható hibás, az A érzékelő abszolút kalibrációja itt a legjobb a sok közül. Sajnos nem sokkal ezen adatok felvétele után meghibásodott, amint azt a 6. ábra szemlélteti.

Ezek a grafikonok ismét rámutatnak arra a már többször említett tényre, hogy ezek a kísérletek csak annyira pontosak, amennyire a kalibrációs referenciák rendelkezésre állnak, és a szakirodalom jelentős eltéréseket mutat. Nézzük például az ammónium-nitrátot a 6. ábrán. Az én két adatfutásom az SHT71-gyel szisztematikus eltolódást mutat, ami feltehetően a szenzor kalibrációs driftje, de ez az eltolódás csak körülbelül ugyanannyi, mint a publikált Wexler és O’Brien adatsorok közötti eltérés.

Az 5. és 6. ábra közötti nagyon nyilvánvaló különbség a rendszer beállításának sikerét mutatja. A DHT22 jelentés 3. ábrájához hasonlóan az elsődleges következtetés ebből az, hogy egyértelműen meg tudjuk különböztetni az érzékelő érzékenységének változásait a valódi környezeti változásoktól, és az érzékelő kalibrálására vonatkozó következtetéseink érvényesek, nem pedig kísérleti hiba.

3. rész: A hőmérséklet és a páratartalom egyidejű függvényeként

Végül, ha egy érzékelőt a páratartalom mérésére akarunk használni változó hőmérsékleti tartományban, akkor teljes kétváltozós kalibrációra van szükség. Egy ilyen kalibrálást a meglehetősen mérsékelt 10 < °C < 35 hőmérséklet-tartományban a 8. ábra mutatja. A 4. ábrán látható görbék gyakorlatilag e felületek keresztmetszetei.

8. ábra. A szenzor kimenetének a referenciaértéktől való eltérését mutató felületek a hőmérséklet és a relatív páratartalom függvényében. A DHT11 és DHT22 értékek közvetlenül a készülékekből lettek leolvasva. Az SHT71 értékeit hőmérsékletkorrigáltuk és linearizáltuk a gyártó adatlapján szereplő alapértelmezett paraméterek felhasználásával. A DHT22 A készülék esetében csak a hirtelen 15%-os elmozdulás előtti adatok szerepelnek, így ez a diagram azt mutatja, hogyan teljesített kb. 18 hónapig, de már nem érvényes.

Hőmérsékleti pontosság

A levelező kérésére mellékelek egy gyors összehasonlítást a hőmérséklet-kimenetekről. Az én készülékem nem tartalmaz külső referenciát, amellyel szemben a hőmérséklet-kimenetet kalibrálni lehetne, ezért egyszerűen közvetlen összehasonlítást ábrázolok. Szigorúan ez csak azt mutatja, hogy egyeznek, nem azt, hogy mindegyik helyes, de nem hiszem, hogy komolyan kétséges, hogy a legtöbb célra elég jók. A DHT22/AM2302 eszközök jól illeszkednek az SHT71-hez. Az SHT71 és az E állandó 0,4°C-kal tér el egymástól, ez a legnagyobb eltérés, amit eddig láttam. A többi készülék többsége ∼0,1°C-kal tér el egymástól. Mindez összhangban van a korábbi, csak DHT22/AM2302-re vonatkozó eredményeimmel. A DHT11 nagyobb szórást mutat, de a specifikációban általában ±2°C-ot adtak meg, és az én tesztkészülékem ±0,7°C-ot mért. Máshol már vizsgáltam a BME280 abszolút hőmérő pontosságát, de ezt a vizsgálatot nem alkalmaztam ezekre az érzékelőkre.

9. ábra. A különböző eszközök hőmérséklet-kimeneteinek összehasonlítása. Nincs okom arra gyanakodni, hogy bármelyik készülék hőmérőjével probléma lenne.

Következtetés

• Az SHT71 egyértelműen jobb, mint a DHT22. Jobban elkészített, legalább olyan pontos, pontosabb és gyorsabban reagál a változásokra. Természetesen tízszer annyiba is kerül.
• Kifejezetten szembetűnő az SHT71 sokkal jobb hőstabilitása a többiekhez képest. (Például az 5. ábra.)
• A megbízhatóság talán igazolja az Ön számára a magasabb költséget. Néhány év elteltével az egyetlen SHT71-esem rendben működik.
• A hat DHT22 / AM2303-as készülékem közül kettő meghibásodott. A várható élettartam körülbelül egy-két év.
• 18 hónapos folyamatos működés után a hat DHT22 / AM2303 készülékem közül csak egy (az E készülék) képes elérni az SHT71 készülékem teljesítményét. Persze lehetséges, hogy az egyetlen jó SHT71-et kaptam, de ezt nem tartom valószínűnek.
• A DHT22 biztosan jobb, mint a DHT11, és könnyen igazolja a többletköltségét. Nem fogok tovább játszani a DHT11-el, de biztosan működik, ha szükséged van egy olcsó, alacsonyabb specifikációjú készülékre.