Confronto tra DHT22, DHT11 e Sensirion SHT71

Introduzione

I miei risultati pubblicati in precedenza hanno confrontato sei igrometri AM2302 (alias DHT22, RHT03 e uso questi nomi in modo intercambiabile). Qui ripeto quell’esperimento usando lo stesso apparato e le stesse tecniche, ma sostituisco due dei sensori con modelli alternativi, un DHT11 e un Sensirion SHT71. Gli obiettivi del lavoro precedente erano di stabilire se un sensore economico come l’AM2302/DHT22 potesse essere all’altezza della loro precisione dichiarata. La mia conclusione è stata che nei miei esperimenti non l’hanno fatto, ma hanno fornito prestazioni sorprendentemente buone e un ottimo rapporto qualità/prezzo per la maggior parte dei progetti fai da te domestici non critici per la sicurezza. La prossima domanda ovvia è se i miei test avrebbero mostrato che un dispositivo più costoso è migliore. Dato che stavo ripetendo l’esperimento, ho incluso anche il DHT11, ancora più economico e con specifiche più basse.

Le schede tecniche dei dispositivi DHT11 e DHT22 tendono ad essere brevi. I numeri nella seguente tabella appaiono sui datasheet e sono tipicamente citati dai rivenditori. La scheda tecnica di Sensirion, invece, è dettagliata e completa e fornisce la precisione in funzione dell’umidità e i dettagli delle procedure di calibrazione e linearizzazione consigliate. Si noti come le dichiarazioni di precisione assoluta di Sensirion siano meno rigide e più credibili di quelle normalmente citate per i dispositivi DHT.

UPDATE: Dalla prima stesura di questa pagina è recentemente apparsa una scheda tecnica molto migliorata che contiene sia traduzioni più chiare in inglese che specifiche e grafici più dettagliati. Sostiene ancora una precisione tipica di ±2%, ma ora mostra che la precisione degrada a ±5% ai due limiti estremi, <10% e >90%

Misurare accuratamente e ripetutamente l’umidità relativa è notoriamente difficile. Le procedure qui utilizzate sono state sviluppate in un periodo di circa un anno e sono dettagliate nella mia pagina di calibrazione del DHT22/AM2302. Non sono un esperto di igrometri. Ho solo ideato il miglior esperimento possibile basandomi sulla mia lettura di diversi articoli sull’argomento e usando alcuni oggetti di equipaggiamento domestico che avevo in giro.

I dispositivi e gli strumenti di prova

I dispositivi AM2302/DHT22 sono le stesse unità che ho usato in precedenza. Sono A, B, D, E e F del mio precedente scritto. Anche se ne sono menzionati cinque, solo quattro erano sotto test in qualsiasi momento. Il sensore B non è riuscito durante l’esperimento ed è stato sostituito da E. Ho aggiunto un DHT11 e un Sensirion SHT71.

La configurazione dell’apparato è come precedentemente descritto. Tutti i sensori sono stati alimentati da un alimentatore switching 5V d.c. Un nuovo software doveva essere aggiunto al microcontrollore per leggere il dispositivo Sensirion ed era basato sulla libreria Sensirion Arduino di Markus Schatzl e Carl Jackson.

Le fonti di calibrazione di riferimento sono ancora le stesse anche, undici soluzioni saline sature e acqua distillata. I dati sono stati tutti raccolti in modo simile a prima, lasciando stabilizzare i sensori per qualche ora con ogni soluzione.

Qualità di costruzione

Altre dieci volte il prezzo, l’SHT71 è sorprendentemente molto superiore agli altri. È più piccolo e sembra più solido. I perni in lega Cu/Be placcati in oro sono molto robusti in confronto al DHT22 sul quale i perni sembrano onestamente fatti di un foglio di alluminio spesso. Da notare che l’SHT71 ha dei pin di separazione da 1,27 mm, il che lo rende meno facile da collegare ai comuni Arduino da 2,54 mm e alle breadboard per hobbisti. Io ho montato il mio in un blocco di intestazione da 2.54mm per facilitarne la manipolazione.

Figura 1. Confronto della confezione del SHT71 rispetto all’AM2302. Il DHT11 sembra simile all’AM2302. Anche se un po’ più piccolo, ha anche 0,1″ di separazione dei pin. L’SHT71 ha perni di separazione da 0,05″.

Velocità di risposta

L’SHT71 ha sempre risposto ai cambiamenti più velocemente, registrando un cambiamento in pochi secondi. Il DHT22/AM2302 sembra impiegare circa 30 secondi e il DHT11 può impiegare un paio di minuti. Tuttavia, il DHT22 memorizza una lettura nella memoria e la restituisce ogni volta che viene richiesto un valore. Poiché sto campionando solo ogni 30sec, i valori del DHT22 sono sempre da 30secago che è il motivo per cui il cambio di passo in Figura 2 è in ritardo di 30sec rispetto al SHT71.

Tutti i sensori (compreso il SHT71) possono richiedere diverse ore per stabilizzarsi completamente ad alte umidità. Anche se una parte di questo può essere il dispositivo, ho il sospetto che ci vogliono davvero diverse ore per equilibrare e saturare l’aria all’interno del vaso dopo uno scambio. Tuttavia, il fatto relativo che l’SHT71 è il più veloce e il DHT11 il più lento è ovviamente reale, dato che tutti insieme misurano la stessa aria.

Figura 2. Un tipico esempio di misurazione dell’umidità al variare della soluzione campione. I valori in uscita dall’SHT71 rispondono costantemente alla prima lettura dopo il cambiamento e mostrano un brusco cambiamento di passo. Il DHT22s risponde tipicamente un campione dopo perché restituisce misure memorizzate nella cache, non nuove. Il DHT11 mostra una sorta di risposta in un minuto o due, ma può impiegare un po’ di tempo per spostarsi gradualmente verso la nuova misurazione.

Risultati

Parte 1: Come funzione dell’umidità

Prima guardiamo la risposta variabile del sensore a diverse umidità di riferimento, tutte misurate ad una singola temperatura fissa.

Figura 3. Grafici dei valori letti dall’igrometro contro l’umidità di riferimento nota. Sono mostrate tre epoche. Il verde è il run 1 di maggio 2014. Il blu è il run 2 da agosto 2014 e diviso in ciano per quei dati noti per essere corrotti da auto-riscaldamento B e blu scuro per i dati ritenuti buoni. Il rosso è il run 3 del novembre 2014.

Figura 4. Gli stessi dati della figura 3 con gli stessi adattamenti polinomiali quadratici sono ridisegnati, ma l’asse verticale è ora la differenza tra i valori misurati e quelli di riferimento. Questi grafici presentano l’errore che risulterebbe dall’uso dei valori calibrati in fabbrica. Per DHT11 e DHT22 questi sono letti direttamente dal sensore senza alcuna ricalibrazione. Per SHT71 questi valori sono stati corretti per la temperatura e linearizzati utilizzando i parametri predefiniti dalla scheda tecnica del produttore. Sono mostrate tre epoche. Il verde è l’esecuzione 1 di maggio 2014. Il blu è il run 2 dell’agosto 2014, suddiviso in ciano per i dati noti per essere corrotti dall’autoriscaldamento B e blu scuro per i dati ritenuti buoni. Il rosso è il run 3 di novembre 2014. L’area grigia ombreggiata è la specifica dalle schede tecniche.

Sensirion SHT71

Questo è il migliore dei sensori. È il più lineare, il più stabile nel tempo e probabilmente quello con le minori deviazioni assolute anche se, scegliendo il migliore dei DHT22, sono paragonabili. Può giustificare il suo costo se avete bisogno di quella precisione in più, e soprattutto di affidabilità. Per la maggior parte degli scopi quotidiani gli altri sensori sono probabilmente adeguati, tranne che per la grossolana incoerenza causata dall’autoriscaldamento del sensore B. Ripetibilità e coerenza sono i punti in cui l’SHT71 sembra vincere facilmente. Tolleranze di fabbricazione più sottili e controllo di qualità sono presumibilmente ciò per cui si paga con i dispositivi più costosi. La dispersione RMS intorno alla linea di adattamento è del 2%RH, ma questa è solo una stima della precisione complessiva se la curva di correzione viene applicata e per tutto il tempo in cui la curva di correzione rimane invariata. Si noti che la dispersione del 2%RH include gli errori sistematici nel mio apparato e gli errori di misurazione nei sensori. La vera umidità generata da ogni soluzione è nota solo fino al 2%RH circa. Per esempio, tutti i sensori danno l’1-2% di letture più basse del previsto per il nitrato di ammonio a 22°C, suggerendo che sono i dati di riferimento che sto usando ad essere in errore piuttosto che i sensori. Senza la mia curva di correzione, gli errori del sensore dopo aver applicato la calibrazione di default del produttore dalla scheda tecnica sono fino al 5%. Tutti i miei punti di dati rimangono quasi all’interno della zona ombreggiata delle specifiche del produttore.

DHT11

Come specificato nella scheda tecnica, questo dispositivo non è utile sotto il 20% o sopra il 90%, ma poi in termini di comfort fisico, qualsiasi cosa sopra il 90% di umidità si sente lo stesso, cioè, bagnato. Allo stesso modo, al di sotto del 20% le mie labbra iniziano a screpolarsi, quindi per molti usi la differenza tra il 5% e il 15% potrebbe non essere importante. La ripetibilità (dispersione dei punti dati) è nettamente peggiore di tutti gli altri sensori (±5%), ma all’interno del suo intervallo valido (20 < %RH < 90) la sua calibrazione assoluta è quasi buona come quella del DHT22s. Una curva di calibrazione non è giustificata da questi dati, anche se un offset costante di circa il 4% sembrerebbe migliorare la precisione della lettura. Se l’autoriscaldamento del sensore B influenzasse il DH11 adiacente, l’offset richiesto potrebbe essere leggermente maggiore. È stata avviata una serie di dati senza l’autoriscaldamento di B, ma poi abbandonata quando ho deciso di non utilizzare più questo dispositivo.

DHT22 / AM2302

Sensore A Ignorando la prova 2 che è stata corrotta dal sensore B difettoso, questo dispositivo sembrava buono fino a poco prima della fine dell’esperimento quando è diventato il secondo dei sei DHT22 a fallire. Quando funzionava, leggeva costantemente il 2% alto.
Il sensore B è molto problematico. Durante la seconda esecuzione dei dati, il dispositivo era difettoso e si surriscaldava. Il calore stava anche influenzando il proprio ambiente locale, quindi è poco utile come misura delle condizioni ambientali circostanti. Anche quando non si auto-riscaldava nel run 3 il suo comportamento sembra essere cambiato in qualche misura. Questo dispositivo è stato scartato.
Il sensore C è stato testato solo una volta durante la quale i suoi risultati sono stati notevolmente simili a quelli dell’SHT71.
Il sensore D è cambiato più di quanto consentito dalle specifiche, ma è ancora tollerabile con un errore del 5% circa. I suoi cambiamenti non sono spiegati dal riscaldamento locale del sensore B. L’applicazione di una qualsiasi delle curve di correzione migliorerebbe le altre misure in modo da mostrare una certa coerenza, ma è chiaramente cambiato.
Il sensore E sembra buono. La divergenza al 100% potrebbe essere solo un paio di errori di registrazione dei dati nella corsa 1 e se si dovesse ignorarli è rimasto molto coerente.
Il sensore F è cambiato poco tra le misurazioni. Purtroppo ha la curva più aggressiva di tutte le curve di calibrazione, ma almeno è rimasta ragionevolmente costante. Se applicassi una curva di correzione derivata dai vecchi dati, sarebbe ancora valida adesso.

Parte 2: In funzione della temperatura

Le misurazioni precedenti sono state fatte a temperature fisse (30°C e 22°C). Ora guardiamo come reagiscono i sensori nell’intervallo 10-40 °C. Ci sono due effetti da distinguere. Vogliamo misurare se la risposta dei sensori cambia con la temperatura, ma sappiamo che l’umidità generata dalle soluzioni è essa stessa sensibile alla temperatura. I “valori di riferimento” non sono quindi più costanti fisse, ma pendenze dipendenti dalla temperatura. I sensori DHT22 A,D,E,F, il DHT11 e l’SHT71 sono stati testati con tutte le soluzioni sature e i grafici per tre sono presentati nelle figure 5, 6 e 7. I composti selezionati per l’inclusione qui sono:

• NaCl perché è di gran lunga il più studiato e ben calibrato del nostro set e anche perché ha la più debole dipendenza dalla temperatura. Per questo caso speciale non abbiamo quasi bisogno di tracciare una pendenza. L’umidità è un 75% fisso su tutta la nostra gamma di temperature.
• NH4NO3 perché è l’unico composto incluso con un coefficiente di temperatura molto forte. Se i sensori funzionano questo mostrerà una forte pendenza in netto contrasto con NaCl.
• MgCl selezionato come un altro composto molto comunemente usato ed essendo nella gamma di bassa umidità, distinto dagli altri due.

Figura 5. Sensori DHT22 A,D,E,F, DHT11 e SHT71 testati con cloruro di sodio saturo nell’intervallo di temperatura 12-35°C. I valori in sovraimpressione per il confronto sono presi dalla letteratura pubblicata. Anche se si legge l’1% in alto, l’SHT71 è l’unico a mostrare un comportamento corretto e indipendente dalla temperatura. Tutti i DHT22 mostrano letture di umidità che aumentano con la temperatura, coerentemente con il mio precedente studio sul solo DHT22

Figura 6. Sensori DHT22 A,D,E,F, DHT11 e SHT71 con nitrato di ammonio saturo nell’intervallo di temperatura 10-35°C. I valori in sovraimpressione per il confronto sono tratti dalla letteratura pubblicata. Due serie di dati sono state ottenute a distanza di un paio di mesi l’una dall’altra. Tutti i sensori illustrano correttamente il fatto che la solubilità del nitrato di ammonio è fortemente dipendente dalla temperatura e che l’umidità sopra la soluzione satura cambia con la temperatura. L’SHT71 ancora una volta corrisponde meglio ai dati di riferimento. La maggior parte dei sensori mostra una deriva dell’1-2% tra le due serie di dati. Il sensore E è rimasto molto coerente nel tempo anche se, come per tutti i dispositivi DHT, mostra di nuovo la tendenza a leggere un’umidità più alta di quanto dovrebbe con l’aumentare della temperatura. Il sensore A si è guastato tra le due serie di dati ed è diventato il secondo dei miei sei DHT22 a morire. Come il sensore B, mostra il comportamento insidioso di produrre ancora risultati sensati che si correlano correttamente con la temperatura. È semplicemente sfalsato del 15%.

Figura 7. Sensori DHT22 A,D,E,F, DHT11 e SHT71 con cloruro di magnesio saturo nell’intervallo di temperatura 10-32°C. In sovraimpressione per il confronto ci sono valori presi dalla letteratura pubblicata. Le conclusioni sono coerenti con le misurazioni precedenti. La pendenza dell’SHT71 ancora una volta corrisponde meglio ai dati di riferimento, il che significa che ha i minori errori legati alla temperatura. Le uscite del DHT22 hanno tutte la tendenza ad aumentare con la temperatura. Anche se il coefficiente di temperatura è sbagliato, la calibrazione assoluta del sensore A è qui la migliore del lotto. Purtroppo, poco dopo aver preso questi dati si è guastato come illustrato nella figura 6.

Questi grafici dimostrano ancora una volta un punto fatto ripetutamente che questi esperimenti sono accurati solo quanto la disponibilità di riferimenti di calibrazione e la letteratura mostra una notevole variazione. Guardate per esempio il nitrato di ammonio nella figura 6. I miei due dati con l’SHT71 mostrano un offset sistematico che è presumibilmente la deriva della calibrazione del sensore, ma questo offset è solo circa lo stesso della discrepanza tra i dati pubblicati di Wexler e O’Brien.

La differenza molto evidente tra le figure 5 e 6 dimostra il successo della configurazione del sistema. Come per la figura 3 del rapporto DHT22, la conclusione principale è che possiamo chiaramente distinguere tra i cambiamenti di sensibilità del sensore e i veri cambiamenti ambientali e le nostre conclusioni sulla calibrazione del sensore sono valide, non un errore sperimentale.

Parte 3: Come funzione simultanea di temperatura e umidità

Infine, se un sensore deve essere usato per misurare l’umidità in una gamma di temperature variabili, è necessaria una calibrazione bivariata completa. Una tale calibrazione nell’intervallo di temperatura piuttosto moderato 10 < °C < 35 è mostrata nella figura 8. Le curve nella Figura 4 sono effettivamente sezioni trasversali attraverso queste superfici.

Figura 8. Superfici che mostrano la deviazione dell’uscita del sensore dal valore di riferimento in funzione della temperatura e dell’umidità relativa. I valori per DHT11 e DHT22 sono letti direttamente dai dispositivi. I valori del SHT71 sono stati corretti per la temperatura e linearizzati usando i parametri predefiniti dal datasheet del produttore. Per il dispositivo DHT22 A ho incluso solo i dati da prima dell’improvviso spostamento del 15%, quindi questo grafico rappresenta come si è comportato per circa 18 mesi, ma non è più valido.

Precisione della temperatura

Su richiesta di un corrispondente ho incluso un rapido confronto delle uscite di temperatura. Il mio apparecchio non contiene alcun riferimento esterno con cui calibrare l’uscita di temperatura e quindi ho semplicemente tracciato un confronto diretto. Strettamente questo mostra solo che sono d’accordo, non che sono tutti corretti, ma non penso che sia seriamente in dubbio che siano abbastanza buoni per la maggior parte degli scopi. I dispositivi DHT22/AM2302 corrispondono bene all’SHT71. SHT71 ed E differiscono di un costante 0,4°C, la più grande divergenza che ho visto. La maggior parte degli altri differiscono di ∼0,1°C. Tutto ciò è coerente con i miei precedenti risultati relativi al solo DHT22/AM2302. Il DHT11 ha una maggiore dispersione, ma normalmente ho visto le specifiche indicate come ±2°C e il mio dispositivo di prova ha fornito ±0,7°C. Ho esaminato altrove l’accuratezza assoluta del termometro del BME280, ma quel test non è stato applicato a questi sensori.

Figura 9. Confronto delle uscite di temperatura dai vari dispositivi. Non ho motivo di sospettare alcun problema con i termometri in nessuno dei dispositivi.

Conclusione

• L’SHT71 è chiaramente superiore al DHT22. È fatto meglio, almeno altrettanto accurato, più preciso e risponde più rapidamente ai cambiamenti. Naturalmente costa anche dieci volte tanto.
• Particolarmente impressionante è la stabilità termica molto migliore dell’SHT71 rispetto agli altri. (Per esempio, la figura 5.)
• L’affidabilità può giustificare il costo maggiore per voi. Dopo un paio d’anni, il mio singolo SHT71 funziona bene.
• Due dei miei sei dispositivi DHT22 / AM2303 sono falliti. L’aspettativa di vita è di circa uno o due anni.
• Dopo 18 mesi di funzionamento continuo solo uno dei miei sei dispositivi DHT22 / AM2303 (dispositivo E) è in grado di eguagliare le prestazioni del mio SHT71. Naturalmente è possibile che io abbia l’unico SHT71 buono, ma non lo considero probabile.
• Il DHT22 è certamente migliore del DHT11 e giustifica facilmente il suo costo extra. Non mi prenderò la briga di giocare ulteriormente con il DHT11, ma certamente funziona se avete bisogno di un dispositivo economico e con specifiche inferiori.