Vergelijk DHT22, DHT11 en Sensirion SHT71

Inleiding

Mijn eerder gepubliceerde resultaten vergeleken zes AM2302 (ook bekend als DHT22, RHT03 en ik gebruik de namen door elkaar heen) hygrometers. Hier herhaal ik dat experiment met gebruikmaking van dezelfde apparatuur en technieken, maar vervang twee van de sensoren door alternatieve modellen, een DHT11 en een Sensirion SHT71. Het doel van het eerdere werk was vast te stellen of een zo goedkope sensor als de AM2302/DHT22 de geclaimde nauwkeurigheid kon waarmaken. Mijn conclusie was dat dit in mijn experimenten niet het geval was, maar dat zij wel verrassend goede prestaties leverden en een zeer goede prijs-kwaliteitverhouding hadden voor de meeste niet-veiligheidskritische, huishoudelijke doe-het-zelf-projecten. De volgende voor de hand liggende vraag is of uit mijn tests zou blijken dat een duurder toestel beter zou zijn. Omdat ik het experiment opnieuw uitvoerde, heb ik ook de nog goedkopere en lager gespecificeerde DHT11 opgenomen.

Databladen voor de DHT11 en DHT22 apparaten zijn meestal beknopt. De getallen in de volgende tabel staan op de datasheets en worden meestal door de detailhandel vermeld. Het Sensirion-gegevensblad daarentegen is gedetailleerd en uitvoerig en geeft de nauwkeurigheid als functie van de vochtigheid, alsook details over aanbevolen kalibratie- en linearisatieprocedures. Merk op hoe de absolute nauwkeurigheidsclaims van Sensirion minder streng en geloofwaardiger zijn dan die welke gewoonlijk voor de DHT-apparaten worden vermeld.

UPDATE: Sinds het schrijven van deze pagina is onlangs een sterk verbeterd gegevensblad verschenen dat zowel duidelijker vertalingen naar het Engels bevat als meer gedetailleerde specificaties en grafieken. Het beweert nog steeds een typische nauwkeurigheid van ±2%, maar toont nu dat de nauwkeurigheid afneemt tot ±5% bij de twee uiterste grenzen, <10% en >90%

Nauwkeurig en herhaalbaar meten van relatieve vochtigheid is notoir lastig. De hier gebruikte procedures werden over een periode van ongeveer een jaar ontwikkeld en zijn gedetailleerd beschreven op mijn DHT22/AM2302 kalibratiepagina. Ik ben geen expert in hygrometers. Ik heb gewoon het beste experiment bedacht dat ik kon doen op basis van het lezen van een aantal artikelen over dit onderwerp en met behulp van een paar huishoudelijke apparaten die ik nog had liggen.

De apparaten en testapparatuur

De AM2302/DHT22 apparaten zijn dezelfde als die ik eerder heb gebruikt. Het zijn A,B,D,E en F uit mijn vorige write-up. Hoewel er vijf worden genoemd, werden er slechts vier tegelijk getest. Sensor B viel uit tijdens het experiment en werd vervangen door E. Ik heb een DHT11 en een Sensirion SHT71 toegevoegd.

De opstelling van het apparaat is zoals eerder beschreven. Alle sensoren werden gevoed uit een 5V d.c. schakelende voeding. Nieuwe software moest worden toegevoegd aan de microcontroller om het Sensirion apparaat te lezen en was gebaseerd op Markus Schatzl en Carl Jackson’s Sensirion Arduino library.

De referentie kalibratiebronnen zijn ook nog steeds dezelfde, elf verzadigde zoutoplossingen en gedestilleerd water. Alle gegevens werden op dezelfde manier verzameld als voorheen, waarbij de sensoren met elke oplossing een paar uur mochten stabiliseren.

Kwaliteit van de bouw

Met meer dan tien keer de prijs is de SHT71 niet verrassend veel beter dan de anderen. Hij is kleiner en voelt steviger aan. De vergulde Cu/Be legering pinnen zijn zeer robuust in vergelijking met de DHT22, waarvan de pinnen aanvoelen alsof ze van dik aluminiumfolie zijn gemaakt. Merk op dat de SHT71 1.27mm scheidingspennen heeft, wat het minder gemakkelijk maakt om aan te sluiten op gewone hobbyist 2.54mm Arduinos en bread-boards. Ik heb de mijne in een 2.54mm header blok gemonteerd voor eenvoudige bediening.

Figuur 1. Vergelijking van de verpakking van de SHT71 met die van de AM2302. De DHT11 lijkt op de AM2302. Hoewel hij iets kleiner is, heeft hij ook 0,1″ tussen de pennen. De SHT71 heeft 0,05″ pennen.

Responssnelheid

De SHT71 reageerde consequent het snelst op veranderingen, en registreerde een verandering in een paar seconden. De DHT22/AM2302 lijkt er ongeveer 30 seconden over te doen en de DHT11 kan er een paar minuten over doen. De DHT22 slaat echter een waarde in het geheugen op en geeft die terug wanneer de volgende keer een waarde wordt opgevraagd. Aangezien ik slechts om de 30 seconden bemonster, zijn de DHT22-waarden altijd van 30 seconden geleden, vandaar dat de stapverandering in figuur 2 30 seconden achterloopt op de SHT71.

Alle sensoren (ook de SHT71) kunnen er enkele uren over doen om volledig te stabiliseren bij hoge vochtigheid. Hoewel een deel hiervan aan het apparaat kan liggen, vermoed ik dat het werkelijk enkele uren duurt om de lucht in de pot na een verwisseling gelijk te maken en te verzadigen. Toch is het relatieve feit dat de SHT71 de snelste is en de DHT11 de langzaamste duidelijk reëel, aangezien ze allemaal samen dezelfde lucht meten.

Figuur 2. Een typisch voorbeeld van vochtigheidsmetingen terwijl de monsteroplossing wordt gewijzigd. De uitgangswaarden van de SHT71 reageren consequent op de eerste meting na de verandering en vertonen een abrupte stapverandering. De DHT22 reageert typisch één sample later omdat hij gecachete, niet nieuwe, metingen teruggeeft. De DHT11 geeft na een minuut of twee een soort reactie, maar het kan een tijdje duren voor hij geleidelijk naar de nieuwe meting toe beweegt.

Resultaten

Deel 1: Als functie van de vochtigheid

Eerst kijken we naar de variërende respons van de sensor op verschillende referentie vochtigheden, allen gemeten bij één vaste temperatuur.

Figuur 3. Uitzetten van de waarden afgelezen van de hygrometer tegen de bekende referentiervochtigheid. Drie tijdperken worden getoond. Groen is run 1 van mei 2014. Blauw is run 2 van augustus 2014 en opgesplitst in cyaan voor de gegevens waarvan bekend is dat ze door zelfopwarming van de B zijn gecorrumpeerd en donkerblauw voor de gegevens waarvan wordt aangenomen dat ze goed zijn. Rood zijn run 3 van november 2014.

Figuur 4. Dezelfde gegevens als in figuur 3 met dezelfde kwadratische polynomiale fit zijn opnieuw uitgezet, maar de verticale as is nu het verschil tussen de gemeten waarden en de referentiewaarden. Deze grafieken geven de fout weer die zou resulteren uit het gebruik van de in de fabriek gekalibreerde waarden. Voor DHT11 en DHT22 zijn deze rechtstreeks van de sensor afgelezen, zonder herkalibratie. Voor SHT71 zijn deze waarden gecorrigeerd voor temperatuur en gelineariseerd met behulp van de standaardparameters uit het gegevensblad van de fabrikant. Drie epochs worden getoond. Groen is run 1 van mei 2014. Blauw is run 2 van augustus 2014 en opgesplitst in cyaan voor de gegevens waarvan bekend is dat ze door zelfopwarming van de B zijn beschadigd en donkerblauw voor de gegevens waarvan wordt aangenomen dat ze goed zijn. Rood is run 3 van november 2014. Grijs gearceerd gebied is de specificatie uit datasheets.

Sensirion SHT71

Dit is de beste van de sensoren. Hij is het meest lineair, het meest stabiel in de tijd en aantoonbaar degene met de kleinste absolute afwijkingen, hoewel de beste van de DHT22’s vergelijkbaar zijn. De prijs is gerechtvaardigd als u behoefte hebt aan extra nauwkeurigheid en vooral betrouwbaarheid. Voor de meeste dagelijkse doeleinden zijn de andere sensoren waarschijnlijk toereikend, afgezien van de grote inconsistentie die wordt veroorzaakt door de zelfopwarming van sensor B. Herhaalbaarheid en consistentie is waar de SHT71 met gemak lijkt te winnen. Vermoedelijk betaalt u voor de duurdere toestellen voor fijnere fabricagetoleranties en kwaliteitscontrole. De RMS-verschillen rond de fit-lijn bedragen 2%RH, maar dit is slechts een schatting van de algemene nauwkeurigheid als de correctiecurve wordt toegepast en zolang die correctiecurve ongewijzigd blijft. Merk op dat die 2%RH-verschillen zowel systematische fouten in mijn apparatuur als meetfouten in de sensoren omvatten. De werkelijke vochtigheid die door elke oplossing wordt gegenereerd is slechts bekend tot ongeveer 2%RH. Alle sensoren geven bijvoorbeeld 1-2% lager dan verwachte waarden voor ammoniumnitraat bij 22°C, wat eerder wijst op een fout in de referentiegegevens die ik gebruik dan in de sensoren. Zonder mijn eigen correctiecurve zijn de fouten van de sensor na toepassing van de standaardkalibratie van de fabrikant op het gegevensblad tot 5%. Al mijn datapunten blijven bijna binnen het gearceerde gebied van de specificatie van de fabrikant.

DHT11

Zoals op het gegevensblad staat, heeft dit apparaat geen nut beneden 20% of boven 90%, maar in termen van fysiek comfort voelt alles boven 90% vochtigheid hetzelfde aan, d.w.z. nat. Evenzo beginnen mijn lippen bij minder dan 20% te barsten, zodat voor veel toepassingen het verschil tussen 5% en 15% wellicht niet belangrijk is. De herhaalbaarheid (spreiding van de datapunten) is duidelijk slechter dan die van alle andere sensoren (±5%), maar binnen zijn geldigheidsgebied (20 < %RH < 90) is zijn absolute ijking bijna even goed als die van de DHT22’s. Een ijkkromme is op grond van deze gegevens niet gerechtvaardigd, hoewel een constante afwijking van ongeveer 4% de afleesnauwkeurigheid lijkt te verbeteren. Als de zelfopwarming van sensor B de aangrenzende DH11 beïnvloedde, zou de vereiste afwijking iets groter kunnen zijn. Er werd begonnen met een dataserun zonder de zelfverhitting van B, maar die werd afgebroken toen ik besloot dit apparaat niet langer te gebruiken.

DHT22 / AM2302

Sensor A Met uitzondering van run 2, die door een defecte sensor B werd gecorrumpeerd, zag dit apparaat er goed uit tot vlak voor het einde van het experiment, toen het de tweede van de zes DHT22’s werd die defect raakte. Wanneer het werkte, las het consequent 2% hoog af.
Sensor B is zeer problematisch. Tijdens de tweede datarun was het apparaat defect en liep het warm. De hitte beïnvloedde ook zijn eigen lokale omgeving, zodat hij weinig nut heeft als maat voor de omgevingsomstandigheden. Zelfs zonder zelfverhitting in run 3 lijkt het gedrag van het toestel enigszins te zijn veranderd. Dit apparaat is afgedankt.
Sensor C is slechts één keer getest, waarbij de resultaten opmerkelijk veel leken op die van de SHT71.
Sensor D is meer veranderd dan de specificatie toestaat, maar is met een fout van ongeveer 5% nog steeds aanvaardbaar. De veranderingen zijn niet te verklaren door plaatselijke opwarming door sensor B. Toepassing van een van de correctiecurven zou de andere metingen verbeteren, zodat hij enige consistentie vertoont, maar hij is duidelijk veranderd.
Sensor E ziet er goed uit. Afwijking op 100% zou gewoon een paar datalogging fouten in run 1 kunnen zijn en als je ze zou negeren is hij zeer consistent gebleven.
Sensor F is weinig veranderd tussen de metingen. Helaas heeft hij de meest agressieve kromming van alle ijkcurven, maar hij is in ieder geval redelijk constant gebleven. Als ik een uit de oude gegevens afgeleide correctiecurve zou toepassen, zou die nu nog steeds geldig zijn.

Deel 2: Als functie van de temperatuur

De bovenstaande metingen zijn verricht bij vaste temperaturen (30°C en 22°C). Vervolgens kijken we hoe de sensoren reageren in het bereik 10-40 °C. Er zijn twee effecten die moeten worden ontward. Wij willen meten of de reactie van de sensoren verandert met de temperatuur, maar wij weten dat de door de oplossingen gegenereerde vochtigheid zelf temperatuurgevoelig is. De “referentiewaarden” zijn dus niet langer vaste constanten, maar temperatuurafhankelijke hellingshoeken. De DHT22-sensoren A,D,E,F, de DHT11 en de SHT71 werden getest met alle verzadigde oplossingen en de grafieken voor drie daarvan zijn weergegeven in de figuren 5, 6 en 7. De verbindingen die hier zijn opgenomen zijn:

• NaCl omdat deze veruit het meest bestudeerd en goed gekalibreerd is van onze reeks en ook omdat zij de zwakste temperatuurafhankelijkheid vertoont. Voor dit ene speciale geval hoeven we nauwelijks een helling uit te zetten. De vochtigheid is een vaste 75% over ons volledige temperatuurbereik.
• NH4NO3 omdat dit de enige verbinding is met een zeer sterke temperatuurcoëfficiënt. Als de sensoren werken zal dit een sterke helling vertonen in duidelijk contrast met NaCl.
• MgCl geselecteerd als een andere zeer veel gebruikte verbinding en in het lage vochtigheidsbereik, verschillend van de andere twee.

Figuur 5. DHT22-sensoren A,D,E,F, de DHT11 en de SHT71 getest met verzadigd natriumchloride in het temperatuurbereik 12-35°C. Ter vergelijking zijn de waarden uit de gepubliceerde literatuur overgeplot. De SHT71 is de enige die het juiste, temperatuursonafhankelijke gedrag vertoont, hoewel hij 1% hoog aangeeft. Alle DHT22’s tonen vochtigheidsmetingen die stijgen met de temperatuur, in overeenstemming met mijn eerdere studie over enkel de DHT22

Figuur 6. DHT22 sensoren A,D,E,F, de DHT11 en de SHT71 met verzadigd ammoniumnitraat over het temperatuurbereik 10-35°C. Ter vergelijking overgeplot zijn waarden uit de gepubliceerde literatuur. Twee gegevensreeksen werden verkregen met een tussenpoos van enkele maanden. Alle sensoren illustreren correct het feit dat de oplosbaarheid van ammoniumnitraat sterk temperatuurafhankelijk is, waardoor de vochtigheid boven de verzadigde oplossing met de temperatuur verandert. De SHT71 komt opnieuw het best overeen met de referentiegegevens. De meeste sensoren vertonen een afwijking van 1-2% tussen de twee gegevensreeksen. Sensor E is in de loop van de tijd zeer consistent gebleven, hoewel hij, zoals alle DHT-apparaten, de neiging vertoont een hogere vochtigheid af te lezen dan zou moeten als de temperatuur stijgt. Sensor A viel tussen de twee metingen uit en werd de tweede van mijn zes DHT22s die het begaf. Net als bij sensor B vertoont hij het verraderlijke gedrag dat hij nog steeds redelijk uitziende resultaten geeft die correct correleren met de temperatuur. Hij is gewoon met 15% verschoven.

Figuur 7. DHT22 sensoren A,D,E,F, de DHT11 en de SHT71 met verzadigd magnesiumchloride over het temperatuurbereik 10-32°C. Ter vergelijking overgeplot zijn waarden uit de gepubliceerde literatuur. De conclusies zijn consistent met eerdere metingen. De helling van de SHT71 komt weer het best overeen met de referentiegegevens, wat betekent dat deze de kleinste temperatuurgerelateerde fouten heeft. De DHT22-uitgangen hebben allemaal de neiging met de temperatuur te stijgen. Hoewel de temperatuurcoëfficiënt verkeerd is, is de absolute ijking van sensor A hier de beste van de partij. Helaas begaf de sensor het kort na het meten van deze gegevens, zoals te zien is in figuur 6.

Deze grafieken tonen opnieuw een herhaaldelijk gemaakt punt aan dat deze experimenten slechts zo nauwkeurig zijn als de beschikbaarheid van ijkreferenties en de literatuur laat een aanzienlijke variatie zien. Kijk bijvoorbeeld naar ammoniumnitraat in figuur 6. Mijn twee dataruns met de SHT71 vertonen een systematische afwijking die vermoedelijk te wijten is aan sensorkalibratiedrift, maar die afwijking is slechts ongeveer even groot als de discrepantie tussen de gepubliceerde datareeksen van Wexler en O’Brien.

Het zeer duidelijke verschil tussen de figuren 5 en 6 toont het succes van de systeemopstelling aan. Net als bij figuur 3 in het DHT22-rapport is de belangrijkste conclusie dat we duidelijk onderscheid kunnen maken tussen veranderingen in de gevoeligheid van de sensor en echte veranderingen in de omgeving, en dat onze conclusies met betrekking tot de ijking van de sensor geldig zijn, en geen experimentele fout.

Deel 3: Als functie van temperatuur en vochtigheid

Ten slotte, als een sensor gebruikt moet worden om de vochtigheid te meten onder een bereik van wisselende temperaturen, is een volledige bivariate ijking vereist. Een dergelijke ijking over het tamelijk gematigde temperatuurbereik 10 < °C < 35 is weergegeven in figuur 8. De krommen in figuur 4 zijn in feite dwarsdoorsneden door deze oppervlakken.

Figuur 8. Oppervlakken die de afwijking van de sensoruitgang ten opzichte van de referentiewaarde weergeven als functie van zowel de temperatuur als de relatieve vochtigheid. De waarden voor DHT11 en DHT22 zijn rechtstreeks van de apparaten afgelezen. De waarden voor SHT71 zijn gecorrigeerd voor temperatuur en gelineariseerd met de standaardparameters van het gegevensblad van de fabrikant. Voor DHT22 apparaat A zijn alleen gegevens opgenomen van vóór de plotselinge verschuiving van 15%, zodat deze grafiek weergeeft hoe het apparaat gedurende ongeveer 18 maanden presteerde, maar niet langer geldig is.

Temperatuurnauwkeurigheid

Op verzoek van een correspondent voeg ik een snelle vergelijking van de temperatuuroutputs bij. Mijn apparaat heeft geen externe referentie waarmee de temperatuuruitgang kan worden gekalibreerd en daarom heb ik gewoon een directe vergelijking gemaakt. Strikt genomen toont dit alleen aan dat ze overeenstemmen, niet dat ze allemaal correct zijn, maar ik denk niet dat er ernstig aan getwijfeld wordt dat ze goed genoeg zijn voor de meeste doeleinden. De DHT22/AM2302 apparaten komen goed overeen met de SHT71. SHT71 en E verschillen constant 0,4°C, het grootste verschil dat ik heb gezien. De meeste andere verschillen met ∼0,1°C. Dit is allemaal in overeenstemming met mijn eerdere resultaten van alleen DHT22/AM2302. De DHT11 vertoont meer afwijkingen, maar ik heb gewoonlijk ±2°C als specificatie gezien en mijn testapparaat gaf ±0,7°C aan. Ik heb elders gekeken naar de absolute thermometernauwkeurigheid van de BME280, maar die test is niet op deze sensoren toegepast.

Figuur 9. Vergelijking van de temperatuuruitgangen van de verschillende apparaten. Ik heb geen reden om problemen met de thermometers in een van de apparaten te vermoeden.

Conclusie

• De SHT71 is duidelijk beter dan de DHT22. Hij is beter gemaakt, minstens even nauwkeurig, preciezer en reageert sneller op veranderingen. Hij kost natuurlijk ook tien keer zoveel.
• Bijzonder opvallend is de veel betere thermische stabiliteit van de SHT71 in vergelijking met de anderen. (Bijvoorbeeld, figuur 5.)
• Betrouwbaarheid kan voor u de hogere kosten rechtvaardigen. Na een paar jaar draait mijn enkele SHT71 nog prima.
• Twee van mijn zes DHT22 / AM2303 apparaten hebben het begeven. De levensverwachting is ongeveer één tot twee jaar.
• Na 18 maanden continu gebruik is slechts één van mijn zes DHT22 / AM2303 apparaten (apparaat E) in staat om de prestaties van mijn SHT71 te evenaren. Het is natuurlijk mogelijk dat ik die ene goede SHT71 heb, maar dat acht ik niet waarschijnlijk.
• De DHT22 is zeker beter dan de DHT11 en rechtvaardigt gemakkelijk zijn extra kosten. Ik zal niet de moeite nemen om verder te spelen met de DHT11, maar het werkt zeker als je behoefte hebt aan een goedkoop, lagere spec. apparaat.