Porównanie DHT22, DHT11 i Sensirion SHT71

Wprowadzenie

Wcześniej opublikowane przeze mnie wyniki porównały sześć higrometrów AM2302 (a.k.a. DHT22, RHT03 i używam tych nazw zamiennie w całym tekście). Tutaj powtarzam tamten eksperyment używając tej samej aparatury i technik, ale zastępuję dwa z czujników alternatywnymi modelami, DHT11 i Sensirion SHT71. Celem wcześniejszej pracy było ustalenie, czy tak tani czujnik jak AM2302/DHT22 może sprostać deklarowanej dokładności. Mój wniosek był taki, że w moich eksperymentach nie, ale zapewniały one zaskakująco dobrą wydajność i bardzo dobry stosunek jakości do ceny dla większości niekrytycznych dla bezpieczeństwa domowych projektów typu „zrób to sam”. Kolejnym oczywistym pytaniem jest, czy moje testy wykazałyby, że droższe urządzenie jest lepsze. Ponieważ przeprowadzałem eksperyment ponownie, uwzględniłem również jeszcze tańsze i o niższej specyfikacji urządzenie DHT11.

Dane techniczne urządzeń DHT11 i DHT22 są zazwyczaj krótkie. Liczby podane w poniższej tabeli pojawiają się w kartach katalogowych i są zazwyczaj podawane przez sprzedawców. Z drugiej strony, karta katalogowa Sensirion jest szczegółowa i wyczerpująca, podając dokładność w funkcji wilgotności, jak również szczegóły dotyczące zalecanych procedur kalibracji i linearyzacji. Zwróć uwagę, że podawane przez Sensirion wartości dokładności bezwzględnej są mniej rygorystyczne i bardziej wiarygodne niż te zwykle podawane dla urządzeń DHT.

UPDATE: Od czasu napisania tej strony pojawiła się znacznie ulepszona karta katalogowa, która zawiera zarówno bardziej przejrzyste tłumaczenia na język angielski, jak i bardziej szczegółowe specyfikacje i wykresy. Nadal twierdzi ona, że typowa dokładność wynosi ±2%, ale teraz pokazuje, że dokładność spada do ±5% przy dwóch skrajnych wartościach granicznych, <10% i >90%

Dokładny i powtarzalny pomiar wilgotności względnej jest notorycznie trudny. Procedury stosowane tutaj były opracowywane przez okres około roku i są szczegółowo opisane na mojej stronie poświęconej kalibracji DHT22/AM2302. Nie jestem ekspertem w dziedzinie higrometrów. Po prostu wymyśliłem najlepszy eksperyment jaki mogłem w oparciu o lekturę kilku artykułów na ten temat i używając kilku elementów wyposażenia domowego, które miałem w pobliżu.

Urządzenia i aparatura testowa

Urządzenia AM2302/DHT22 to te same jednostki, których używałem poprzednio. Są to A,B,D,E i F z mojego poprzedniego opracowania. Choć wymieniono ich pięć, tylko cztery były testowane w danym momencie. Czujnik B zawiódł podczas eksperymentu i został zastąpiony przez E. Dodałem też DHT11 i Sensirion SHT71.

Ustawienie aparatury jest takie jak poprzednio. Wszystkie czujniki były zasilane z przełączalnego zasilacza 5V d.c. Nowe oprogramowanie musiało zostać dodane do mikrokontrolera, aby odczytać urządzenie Sensirion i było oparte na bibliotece Sensirion Arduino Markusa Schatzla i Carla Jacksona.

Źródła kalibracji referencyjnej również pozostały takie same, jedenaście nasyconych roztworów soli i woda destylowana. Dane zostały zebrane w podobny sposób jak poprzednio, przy czym czujnikom pozwolono ustabilizować się przez kilka godzin z każdym roztworem.

Jakość wykonania

Przy ponad dziesięciokrotnie wyższej cenie SHT71 jest bez wątpienia znacznie lepszy od pozostałych. Jest mniejszy i sprawia wrażenie solidniejszego. Pozłacane piny ze stopu Cu/Be są bardzo solidne w porównaniu do DHT22, w którym piny sprawiają wrażenie, jakby były zrobione z grubej folii aluminiowej. Zauważ, że SHT71 ma 1,27mm separację pinów, co sprawia, że nie jest łatwy do podłączenia do zwykłych hobbystycznych Arduino 2,54mm i bread-boardów. Ja zamontowałem swój w 2.54mm bloku nagłówkowym dla łatwiejszej obsługi.

Rysunek 1. Porównanie opakowania SHT71 w porównaniu do AM2302. DHT11 wygląda podobnie do AM2302. Choć nieco mniejszy, to również posiada piny o separacji 0,1″. SHT71 ma szpilki oddzielające 0,05″.

Szybkość reakcji

SHT71 konsekwentnie reagował na zmiany najszybciej, rejestrując zmianę w ciągu kilku sekund. DHT22/AM2302 wydaje się potrzebować około 30 sekund, a DHT11 może zająć kilka minut. Jednakże, DHT22 buforuje odczyt w pamięci i zwraca go przy następnym żądaniu wartości. Ponieważ próbkuję tylko co 30sec, wartości DHT22 są zawsze z 30secago i dlatego zmiana kroku na Rysunku 2 jest opóźniona o 30sec za SHT71.

Wszystkie czujniki (włączając SHT71) mogą zająć kilka godzin by w pełni ustabilizować się przy wysokiej wilgotności. Chociaż część z tego może być urządzenie, podejrzewam, że to naprawdę trwa kilka godzin, aby wyrównać i nasycić powietrze wewnątrz słoika po zamianie. Mimo to, względny fakt, że SHT71 jest najszybszy a DHT11 najwolniejszy jest oczywiście prawdziwy, ponieważ wszystkie razem mierzą to samo powietrze.

Rysunek 2. Typowy przykład pomiarów wilgotności w miarę zmiany roztworu próbki. Wartości wyjściowe z miernika SHT71 konsekwentnie reagują na pierwszy odczyt po zmianie i wykazują gwałtowną skokową zmianę. DHT22s typowo odpowiada jedną próbkę później, ponieważ zwraca zbuforowane, a nie nowe pomiary. DHT11 pokazuje pewien rodzaj odpowiedzi po minucie lub dwóch, ale może zająć chwilę, aby stopniowo dryfować w kierunku nowego pomiaru.

Wyniki

Część 1: As a Function of Humidity

Najpierw przyjrzymy się zmiennej odpowiedzi czujnika na różne wilgotności referencyjne, wszystkie mierzone w jednej stałej temperaturze.

Rysunek 3. Wykresy wartości odczytanych z higrometru względem znanej wilgotności referencyjnej. Pokazane są trzy epoki. Kolor zielony to przebieg 1 z maja 2014 r. Niebieski to przebieg 2 z sierpnia 2014 i podzielony na cyjanowy dla danych, o których wiadomo, że są uszkodzone przez samonagrzewanie B i ciemnoniebieski dla danych uważanych za dobre. Czerwone to przebieg 3 z listopada 2014.

Rysunek 4. Te same dane co na rysunku 3 z tym samym dopasowaniem wielomianu kwadratowego są ponownie przedstawione, ale osią pionową jest teraz różnica między wartościami zmierzonymi i referencyjnymi. Te wykresy przedstawiają błąd, który wynikałby z zastosowania wartości skalibrowanych fabrycznie. Dla DHT11 i DHT22 są one odczytywane bezpośrednio z czujnika bez ponownej kalibracji. Dla SHT71 wartości te zostały skorygowane temperaturowo i zlinearyzowane przy użyciu domyślnych parametrów z arkusza danych producenta. Pokazane są trzy epoki. Zielony to przebieg 1 z maja 2014. Niebieski to przebieg 2 z sierpnia 2014 i podzielony na cyjan dla tych danych, o których wiadomo, że są uszkodzone przez samonagrzewanie B i ciemnoniebieski dla danych uważanych za dobre. Czerwony to przebieg 3 z listopada 2014. Szary zacieniony obszar to specyfikacja z datasheets.

Sensirion SHT71

To najlepszy z czujników. Jest najbardziej liniowy, najbardziej stabilny w czasie i prawdopodobnie ma najmniejsze odchylenia bezwzględne, chociaż wybierając najlepsze z DHT22, są one porównywalne. Może to uzasadniać jego koszt, jeśli potrzebujesz dodatkowej dokładności, a zwłaszcza niezawodności. Dla większości codziennych celów pozostałe czujniki są prawdopodobnie wystarczające, z wyjątkiem rażącej niespójności spowodowanej samonagrzewaniem się czujnika B. Powtarzalność i spójność to obszary, w których SHT71 wydaje się łatwo wygrywać. Dokładniejsze tolerancje produkcyjne i kontrola jakości są przypuszczalnie tym, za co płaci się w przypadku droższych urządzeń. Rozrzut RMS wokół linii dopasowania wynosi 2%RH, ale jest to tylko szacunkowa ocena ogólnej dokładności, jeśli zastosowana jest krzywa korekcji i tak długo, jak długo krzywa korekcji pozostaje niezmieniona. Zauważ, że rozrzut 2%RH zawiera błędy systematyczne w mojej aparaturze, jak również błędy pomiarowe w czujnikach. Prawdziwa wilgotność generowana przez każdy roztwór jest znana tylko do około 2%RH. Na przykład wszystkie czujniki podają o 1-2% niższe od oczekiwanych odczyty dla azotanu amonu w temperaturze 22°C, co sugeruje, że to raczej dane referencyjne, których używam, są błędne, a nie czujniki. Bez mojej własnej krzywej korekcyjnej, błędy czujnika po zastosowaniu domyślnej kalibracji producenta z arkusza danych wynoszą do 5%. Wszystkie moje punkty danych prawie mieszczą się w zacienionym obszarze specyfikacji producenta.

DHT11

Jak podano w karcie katalogowej, to urządzenie jest bezużyteczne poniżej 20% i powyżej 90%, ale jeśli chodzi o komfort fizyczny, to powyżej 90% wilgotności czuję się tak samo, czyli mokro. Podobnie poniżej 20% wargi zaczynają mi pękać, więc dla wielu zastosowań różnica między 5% a 15% może być nieistotna. Powtarzalność (rozrzut punktów danych) jest wyraźnie gorsza niż wszystkich innych czujników (±5%), ale w swoim prawidłowym zakresie (20 < %RH < 90) jego absolutna kalibracja jest prawie tak dobra jak DHT22. Krzywa kalibracji nie jest uzasadniona tymi danymi, chociaż wydaje się, że stałe przesunięcie o około 4% poprawiłoby dokładność odczytu. Gdyby samonagrzewanie się czujnika B wpływało na sąsiedni DH11, wówczas wymagane przesunięcie mogłoby być nieco większe. Przeprowadzenie pomiarów bez samonagrzewającego się czujnika B zostało rozpoczęte, ale następnie porzucone, gdy zdecydowałem się nie używać już tego urządzenia.

DHT22 / AM2302

Czujnik A Ignorując przebieg 2, który został uszkodzony przez wadliwy czujnik B, urządzenie to wyglądało dobrze aż do momentu tuż przed końcem eksperymentu, kiedy to stało się drugim z sześciu DHT22, które uległo awarii. Kiedy działał, stale wskazywał 2% wyższą wartość.
Sensor B jest wysoce problematyczny. Podczas drugiego przebiegu danych urządzenie było wadliwe i pracowało w wysokiej temperaturze. Ciepło wpływało również na jego własne środowisko lokalne, więc jest mało użyteczny jako miara otaczających warunków otoczenia. Nawet gdy nie uległo samonagrzaniu w trzecim przebiegu, jego zachowanie wydaje się zmieniać do pewnego stopnia. Czujnik C został przetestowany tylko raz, podczas którego jego wyniki były bardzo podobne do SHT71. Czujnik D zmienił się bardziej niż pozwala na to specyfikacja, ale nadal jest tolerowany z błędem 5% lub większym. Jego zmiany nie są wyjaśnione przez lokalne ogrzewanie z czujnika B. Zastosowanie którejkolwiek z krzywych korekcyjnych poprawiłoby pozostałe pomiary, więc wykazuje on pewną spójność, ale wyraźnie się zmienił.
Czujnik E wygląda dobrze. Rozbieżność na poziomie 100% może być tylko kilkoma błędami w rejestracji danych w pierwszym przebiegu i gdyby je zignorować, pozostał bardzo spójny.
Czujnik F niewiele się zmienił pomiędzy pomiarami. Niestety ma on najbardziej agresywnie zakrzywioną krzywą ze wszystkich krzywych kalibracyjnych, ale przynajmniej pozostała ona w miarę stała. Gdybym zastosował krzywą korekcyjną wyznaczoną na podstawie starych danych, byłaby ona nadal aktualna.

Część 2: W funkcji temperatury

Powyższe pomiary zostały wykonane w stałych temperaturach (30°C i 22°C). Następnie przyjrzymy się jak czujniki reagują w zakresie 10-40°C. Są dwa efekty, które należy rozdzielić. Chcemy zmierzyć, czy reakcja czujników zmienia się wraz z temperaturą, ale wiemy, że wilgotność generowana przez roztwory jest wrażliwa na temperaturę. Dlatego „wartości odniesienia” nie są już stałymi, lecz zależnymi od temperatury zboczami. Czujniki DHT22 A,D,E,F, DHT11 i SHT71 były testowane z wszystkimi nasyconymi roztworami i wykresy dla trzech z nich są przedstawione na Rysunkach 5, 6 i 7. Związki wybrane do włączenia tutaj to:

• NaCl ponieważ jest to zdecydowanie najbardziej zbadany i dobrze skalibrowany z naszego zestawu, a także dlatego, że ma najsłabszą zależność od temperatury. Dla tego szczególnego przypadku prawie nie musimy rysować nachylenia. Wilgotność jest stała i wynosi 75% w całym zakresie temperatur.
• NH4NO3 ponieważ jest to jedyny związek z bardzo silnym współczynnikiem temperaturowym. Jeśli czujniki działają, będzie on wykazywał silne nachylenie w przeciwieństwie do NaCl.
• MgCl wybrany jako kolejny bardzo powszechnie używany związek i będący w zakresie niskiej wilgotności, różny od dwóch pozostałych.

Rysunek 5. Czujniki DHT22 A,D,E,F, DHT11 i SHT71 testowane z nasyconym chlorkiem sodu w zakresie temperatur 12-35°C. Dla porównania, nad wykresem umieszczono wartości wzięte z opublikowanej literatury. Chociaż odczyt jest o 1% wyższy, SHT71 jako jedyny wykazuje prawidłowe, niezależne od temperatury zachowanie. Wszystkie DHT22 pokazują odczyty wilgotności rosnące wraz z temperaturą, zgodnie z moim wcześniejszym badaniem dotyczącym tylko DHT22

Rysunek 6. Czujniki DHT22 A,D,E,F, DHT11 i SHT71 z nasyconym azotanem amonu w zakresie temperatur 10-35°C. Nad wykresem zaznaczono dla porównania wartości wzięte z opublikowanej literatury. Dwie serie danych zostały uzyskane w odstępie kilku miesięcy. Wszystkie czujniki poprawnie ilustrują fakt, że rozpuszczalność azotanu amonu jest silnie zależna od temperatury, co powoduje, że wilgotność nad nasyconym roztworem zmienia się wraz z temperaturą. SHT71 ponownie najlepiej pasuje do danych referencyjnych. Większość czujników wykazuje 1-2% dryf pomiędzy dwoma przebiegami danych. Czujnik E pozostał bardzo spójny w czasie, choć podobnie jak wszystkie urządzenia DHT, ponownie wykazuje tendencję do odczytywania wyższej wilgotności niż powinien wraz ze wzrostem temperatury. Czujnik A zawiódł pomiędzy dwiema seriami danych i stał się drugim z moich sześciu urządzeń DHT22, które padły. Tak jak w przypadku czujnika B, wykazuje on podstępne zachowanie, nadal dając sensownie wyglądające wyniki, które są prawidłowo skorelowane z temperaturą. Jest on po prostu przesunięty o 15%.

Rysunek 7. Czujniki DHT22 A,D,E,F, DHT11 i SHT71 z nasyconym chlorkiem magnezu w zakresie temperatur 10-32°C. Na wykresie zaznaczono dla porównania wartości zaczerpnięte z opublikowanej literatury. Wnioski są zgodne z poprzednimi pomiarami. Nachylenie SHT71 ponownie najlepiej pasuje do danych referencyjnych, co oznacza, że ma najmniejsze błędy związane z temperaturą. Wszystkie wyjścia DHT22 mają tendencję do zwiększania się wraz z temperaturą. Choć współczynnik temperaturowy jest błędny, to bezwzględna kalibracja czujnika A jest tutaj najlepsza ze wszystkich. Niestety, krótko po pobraniu tych danych uległ on awarii, jak pokazano na rysunku 6.

Plany te pokazują ponownie, że eksperymenty te są tylko tak dokładne, jak dostępność odniesień kalibracyjnych, a literatura pokazuje znaczne zróżnicowanie. Spójrz na przykład na azotan amonu na Rysunku 6. Moje dwa przebiegi danych z SHT71 pokazują systematyczne przesunięcie, które przypuszczalnie jest dryfem kalibracji czujnika, ale to przesunięcie jest tylko w przybliżeniu takie samo jak rozbieżność pomiędzy opublikowanymi zestawami danych Wexlera i O’Briena.

Bardzo oczywista różnica pomiędzy Rysunkami 5 i 6 pokazuje sukces konfiguracji systemu. Podobnie jak w przypadku Rysunku 3 w raporcie DHT22, podstawowym wnioskiem z tego jest to, że możemy wyraźnie odróżnić zmiany czułości czujnika od prawdziwych zmian środowiskowych, a nasze wnioski dotyczące kalibracji czujnika są ważne, a nie błędem eksperymentalnym.

Część 3: Jako funkcja jednocześnie temperatury i wilgotności

Na koniec, jeśli czujnik ma być używany do pomiaru wilgotności w zakresie zmiennych temperatur, wymagana jest pełna kalibracja dwuczynnikowa. Taka kalibracja w raczej umiarkowanym zakresie temperatur 10 < °C < 35 jest przedstawiona na rysunku 8. Krzywe na rysunku 4 są w rzeczywistości przekrojami przez te powierzchnie.

Rysunek 8. Powierzchnie przedstawiające odchylenie wartości wyjściowej czujnika od wartości odniesienia w funkcji zarówno temperatury jak i wilgotności względnej. Wartości dla DHT11 i DHT22 zostały odczytane bezpośrednio z urządzeń. Wartości z SHT71 zostały skorygowane temperaturowo i zlinearyzowane przy użyciu domyślnych paramaterów z karty katalogowej producenta. Dla DHT22 urządzenie A dołączam tylko dane sprzed nagłej zmiany o 15%, więc ten wykres reprezentuje jak działał przez około 18 miesięcy, ale nie jest już ważny.

Dokładność temperaturowa

Na prośbę korespondenta dołączam szybkie porównanie wyjść temperaturowych. Moja aparatura nie zawiera zewnętrznego odniesienia, względem którego można by skalibrować wyjście temperatury i dlatego po prostu wykreślam bezpośrednie porównanie. Ściśle rzecz biorąc, pokazuje to tylko, że się zgadzają, a nie, że wszystkie są poprawne, ale nie sądzę, aby istniały poważne wątpliwości, że są one wystarczająco dobre dla większości celów. Urządzenia DHT22/AM2302 dobrze pasują do SHT71. SHT71 i E różnią się o stałe 0,4°C, co jest największą rozbieżnością jaką widziałem. Większość pozostałych różni się o ∼0.1°C. To wszystko jest zgodne z moimi poprzednimi wynikami tylko dla DHT22/AM2302. DHT11 wykazuje większy rozrzut, ale zwykle widziałem specyfikację podawaną jako ±2°C, a moje urządzenie testowe zapewniało ±0,7°C. W innym miejscu przyjrzałem się absolutnej dokładności termometru BME280, ale ten test nie został zastosowany do tych czujników.

Rysunek 9. Porównanie wyjść temperatury z różnych urządzeń. Nie mam powodu podejrzewać jakichkolwiek problemów z termometrami w którymkolwiek z urządzeń.

Wnioski

• SHT71 jest wyraźnie lepszy od DHT22. Jest lepiej wykonany, co najmniej tak samo dokładny, bardziej precyzyjny i szybciej reaguje na zmiany. Oczywiście kosztuje również dziesięć razy więcej.
• Szczególnie uderzająca jest znacznie lepsza stabilność termiczna SHT71 w porównaniu z innymi. (Na przykład, Rysunek 5.)
• Zawodność może usprawiedliwić wyższy koszt dla Ciebie. Po kilku latach, mój pojedynczy SHT71 działa dobrze.
• Dwa z moich sześciu urządzeń DHT22 / AM2303 uległy awarii. Oczekiwana żywotność wynosi około jednego do dwóch lat.
• Po 18 miesiącach ciągłej pracy tylko jedno z moich sześciu urządzeń DHT22 / AM2303 (urządzenie E) jest w stanie dorównać wydajności mojego SHT71. Oczywiście jest możliwe, że dostałem jeden dobry SHT71, ale nie uważam tego za prawdopodobne.
• DHT22 jest z pewnością lepszy niż DHT11 i łatwo uzasadnia jego dodatkową cenę. Nie będę się dalej bawił z DHT11, ale na pewno się sprawdzi, jeśli potrzebujesz taniego urządzenia o niższej specyfikacji.