Compare DHT22, DHT11 e Sensirion SHT71

Introdução

Os meus resultados publicados anteriormente compararam seis higrómetros AM2302 (também conhecido como DHT22, RHT03 e eu utilizo os nomes de forma intercambiável ao longo). Aqui repito essa experiência usando os mesmos aparelhos e técnicas mas substituindo dois dos sensores por modelos alternativos, um DHT11 e um Sensirion SHT71. Os objetivos do trabalho anterior eram estabelecer se um sensor tão barato como o AM2302/DHT22 poderia estar à altura de sua precisão reivindicada. Minha conclusão foi que em minhas experiências eles não o fizeram, mas eles ofereceram um desempenho surpreendentemente bom e muito boa relação custo-benefício para a maioria dos projetos de bricolagem domésticos não críticos para a segurança. A próxima pergunta óbvia é se meus testes mostrariam um dispositivo mais caro para ser melhor. Como eu estava rodando novamente o experimento, eu também incluí a especificação ainda mais barata e mais baixa DHT11.

Folhas de dados para os dispositivos DHT11 e DHT22 tendem a ser breves. Os números na tabela seguinte aparecem em folhas de dados e são tipicamente citados pelos retalhistas. A folha de dados da Sensirion, por outro lado, é detalhada e abrangente, fornecendo precisão em função da humidade, bem como detalhes dos procedimentos de calibração e linearização recomendados. Note como as alegações de precisão absoluta da Sensirion são menos rigorosas e mais credíveis do que as normalmente citadas para os dispositivos DHT.

UPDATE: Desde a primeira vez que escrevi esta página, uma folha de dados muito melhorada apareceu recentemente, contendo tanto traduções mais claras para o inglês como especificações e gráficos mais detalhados. Ela ainda reivindica uma precisão típica de ±2%, mas agora mostra a precisão de decomposição a ±5% nos dois membros extremos, <10% e >90%

A medição precisa e repetida da umidade relativa é notoriamente complicada. Os procedimentos aqui utilizados foram desenvolvidos durante um período de cerca de um ano e estão detalhados na minha página de calibração do DHT22/AM2302. Eu não sou especialista em higrómetros. Acabei de conceber o melhor experimento que pude baseado na minha leitura de vários artigos sobre o tema e usando alguns itens de equipamentos domésticos que eu tinha por perto.

Os Dispositivos e Aparelhos de Teste

Os dispositivos AM2302/DHT22 são as mesmas unidades que eu usei anteriormente. Eles são A,B,D,E e F da minha escrita anterior. Embora cinco sejam mencionados, apenas quatro estavam em teste de cada vez. O sensor B falhou durante o experimento e foi substituído por E. Eu adicionei um DHT11 e um Sensirion SHT71.

A configuração do aparelho é como descrito anteriormente. Todos os sensores foram alimentados por uma fonte de alimentação de 5V d.c. Novo software precisava ser adicionado ao microcontrolador para ler o dispositivo Sensirion e foi baseado na biblioteca Sensirion Arduino de Markus Schatzl e Carl Jackson.

As fontes de calibração de referência ainda são as mesmas também, onze soluções saturadas de sal e água destilada. Os dados foram todos recolhidos de uma forma semelhante à anterior com os sensores a estabilizarem durante algumas horas com cada solução.

Qualidade de construção

A mais de dez vezes o preço do SHT71 é muito superior aos outros. É simultaneamente mais pequeno e mais sólido. Os pinos da liga Cu/Be banhados a ouro são muito robustos em comparação com o DHT22 no qual os pinos honestamente se sentem como se fossem feitos de folha de alumínio espessa. Note que o SHT71 tem pinos de separação de 1,27mm, o que torna menos fácil engatar Arduinos e placas de pão de 2,54mm. Montei o meu num bloco de 2,54mm para facilitar o manuseamento.

Figure 1. Comparação da embalagem do SHT71 em relação à AM2302. DHT11 parece similar ao AM2302. Embora um pouco menor, ele também tem pinos de separação de 0,1″. O SHT71 tem pinos de separação de 0.05″.

Velocidade de resposta

O SHT71 respondeu consistentemente às mudanças mais rápidas, registrando uma mudança em poucos segundos. O DHT22/AM2302 parece demorar cerca de 30 segundos e o DHT11 pode demorar alguns minutos. Entretanto, o DHT22 armazena uma leitura na memória e a devolve sempre que um valor é solicitado. Uma vez que só estou recolhendo amostras a cada 30 segundos, os valores de DHT22 são sempre de 30 segundos, razão pela qual a mudança de passo na Figura 2 fica 30 segundos atrás do SHT71.

Todos os sensores (incluindo o SHT71) podem levar várias horas para se estabilizarem completamente em altas umidades. Embora parte disto possa ser o dispositivo, eu suspeito que realmente leva várias horas para equilibrar e saturar o ar dentro do frasco após uma troca. Ainda assim, o facto relativo de o SHT71 ser o mais rápido e o DHT11 o mais lento é obviamente real já que todos eles medem juntos o mesmo ar.

Figure 2. Um exemplo típico de medições de umidade como a solução da amostra é alterada. Os valores de saída do SHT71 respondem consistentemente na primeira leitura após a alteração e mostram uma mudança abrupta de passo. O DHT22s típico responde uma amostra mais tarde porque retorna as medições em cache, não novas. O DHT11 mostra algum tipo de resposta com um ou dois minutos, mas pode demorar um pouco para se deslocar gradualmente para a nova medida.

Resultados

Parte 1: Como função da humidade

Primeiro analisamos a resposta variável do sensor a diferentes humidades de referência, todas medidas a uma única temperatura fixa.

Figure 3. Listas de valores lidos a partir do higrómetro em relação à humidade de referência conhecida. Três épocas são mostradas. Verde é executado 1 a partir de maio de 2014. Blues são executados 2 a partir de agosto de 2014 e divididos em ciano para aqueles dados conhecidos por serem corrompidos pelo auto-aquecimento B e azul escuro para dados considerados bons. Vermelho é executado 3 a partir de novembro de 2014.

Figure 4. Os mesmos dados da Figura 3 com os mesmos ajustes polinomiais quadráticos são replotados, mas o eixo vertical é agora a diferença entre os valores medidos e os valores de referência. Estes gráficos apresentam o erro que resultaria da utilização dos valores calibrados de fábrica. Para DHT11 e DHT22 estes são lidos diretamente do sensor sem qualquer re-calibração. Para SHT71 estes valores foram corrigidos de temperatura e linearizados usando os parâmetros padrão da folha de dados do fabricante. Três épocas são mostradas. Verde é executado 1 a partir de maio de 2014. Blues são executados 2 a partir de agosto de 2014 e divididos em ciano para os dados que se sabe serem corrompidos pelo auto-aquecimento B e azul escuro para dados que se pensa serem bons. Vermelho é rodado 3 a partir de novembro de 2014. A área sombreada cinza é a especificação das folhas de dados.

Sensirion SHT71

Este é o melhor dos sensores. É o mais linear, o mais estável ao longo do tempo e, sem dúvida, o que tem os menores desvios absolutos, apesar de escolher o melhor dos DHT22, eles são comparáveis. Pode justificar o seu custo se você tiver uma necessidade dessa precisão extra, e particularmente confiabilidade. Para a maioria dos fins diários, os outros sensores são provavelmente adequados, exceto pela grande inconsistência causada pelo auto-aquecimento do sensor B. A repetibilidade e a consistência é onde o SHT71 parece ganhar facilmente. Tolerâncias de fabricação mais finas e controle de qualidade são, presumivelmente, o que você está pagando com os dispositivos mais caros. A dispersão RMS ao redor da linha de ajuste é de 2%RH, mas isto é apenas uma estimativa da precisão geral se a curva de correção for aplicada e enquanto essa curva de correção permanecer inalterada. Note que essa dispersão de 2%RH inclui erros sistemáticos no meu aparelho, bem como erros de medição nos sensores. A verdadeira humidade gerada por cada solução é apenas conhecida por cerca de 2%RH. Por exemplo, todos os sensores dão leituras 1-2% inferiores às esperadas para nitrato de amónio a 22°C, sugerindo que são os dados de referência que estou a utilizar que estão errados e não os sensores. Sem minha própria curva de correção, os erros do sensor após aplicar a calibração padrão do fabricante a partir da folha de dados são de até 5%. Todos os meus pontos de dados quase permanecem dentro da área sombreada da especificação do fabricante.

DHT11

Como especificado na folha de dados, este dispositivo não é de uso abaixo de 20% ou acima de 90%, mas então em termos de conforto físico, qualquer coisa acima de 90% de umidade sente o mesmo, ou seja, molhado. Da mesma forma, em qualquer coisa abaixo de 20% os meus lábios começam a rachar, pelo que para muitas utilizações a diferença entre 5% e 15% pode não ser importante. A repetibilidade (dispersão dos pontos de dados) é marcadamente pior do que todos os outros sensores (±5%) mas dentro da sua faixa válida (20 < %RH < 90) a sua calibração absoluta é quase tão boa quanto a DHT22s. Uma curva de calibração não é justificada por estes dados, embora um deslocamento constante de cerca de 4% pareça melhorar a precisão da leitura. Se o auto-aquecimento do sensor B estivesse afetando o DH11 adjacente, então o offset necessário poderia ser ligeiramente maior. A execução dos dados sem o auto-aquecimento B foi iniciada, mas depois abandonada quando decidi não continuar com o uso deste dispositivo.

DHT22 / AM2302

Sensor A Ignorando a execução 2 que foi corrompida pelo sensor B defeituoso, este dispositivo parecia bom até pouco antes do final da experiência quando se tornou o segundo dos seis DHT22 a falhar. Ao trabalhar, ele consistentemente lê 2% de altura.
Sensor B é altamente problemático. Durante a segunda execução de dados, o dispositivo estava com defeito e funcionando bem. O calor também estava influenciando seu próprio ambiente local, então ele tem pouco uso como medida das condições ambientais ao redor. Mesmo quando não se auto-aqueça na corrida 3, o seu comportamento parece ter mudado em algum grau. Este dispositivo foi sucateado.
Sensor C Testado apenas uma vez durante a qual os seus resultados foram notavelmente semelhantes ao SHT71.
Sensor D mudou mais do que a especificação permite, mas ainda é tolerável com um erro de cerca de 5%. Suas mudanças não são explicadas pelo aquecimento local do sensor B. A aplicação de qualquer uma das curvas de correção melhoraria as outras medidas, de modo que está mostrando alguma consistência, mas mudou claramente.
Sensor E parece bom. A divergência a 100% poderia ser apenas um par de erros de registro de dados na execução 1 e se você os ignorasse, ele permaneceu muito consistente.
Sensor F mudou pouco entre as medidas. Infelizmente ele tem a curva mais agressiva de todas as curvas de calibração, mas pelo menos permaneceu razoavelmente constante. Se eu estivesse aplicando uma curva de correção derivada dos dados antigos ela ainda seria válida agora.

Parte 2: Em Função da Temperatura

As medições acima foram feitas a temperaturas fixas (30°C e 22°C). A seguir, observamos como os sensores reagem na faixa de 10-40 °C. Há dois efeitos a serem desacoplados. Queremos medir se a resposta dos sensores muda com a temperatura, mas sabemos que a umidade gerada pelas soluções é, em si mesma, sensível à temperatura. Os ‘valores de referência’ não são mais constantes fixas, mas sim inclinações dependentes da temperatura. Os sensores DHT22 A,D,E,F, DHT11 e SHT71 foram testados com todas as soluções saturadas e os gráficos para três são apresentados nas Figuras 5, 6 e 7. Os compostos selecionados para inclusão aqui são:

• NaCl porque é de longe o mais estudado e bem calibrado do nosso conjunto e também porque tem a mais fraca dependência da temperatura. Para este caso especial, dificilmente precisamos traçar uma inclinação. A umidade é um 75% fixo em toda nossa faixa de temperatura.
• NH4NO3 porque é o único composto incluído com um coeficiente de temperatura muito alto. Se os sensores estiverem funcionando, isto mostrará uma forte inclinação em contraste com NaCl.
• MgCl selecionado como outro composto muito comumente usado e estando na faixa de baixa umidade, distinto dos outros dois.

Figure 5. Sensores DHT22 A,D,E,F, o DHT11 e o SHT71 testados com cloreto de sódio saturado na faixa de temperatura 12-35°C. Os valores sobrelotados para comparação são valores extraídos da literatura publicada. Embora a leitura seja 1% alta, o SHT71 é apenas um para mostrar o comportamento correto, independente da temperatura. Todos os DHT22s mostram leituras de umidade que aumentam com a temperatura, consistente com meu estudo anterior somente de DHT22

Figure 6. Sensores DHT22 A,D,E,F, o DHT11 e o SHT71 com nitrato de amônio saturado na faixa de temperatura de 10-35°C. Os valores sobrelotados para comparação são valores extraídos da literatura publicada. Foram obtidas duas séries de dados com alguns meses de intervalo. Todos os sensores ilustram corretamente o fato de que a solubilidade do nitrato de amônio é fortemente dependente da temperatura, fazendo com que a umidade acima da solução saturada mude com a temperatura. O SHT71 novamente corresponde melhor aos dados de referência. A maioria dos sensores apresenta um desvio de 1-2% entre as duas séries de dados. O sensor E tem permanecido muito consistente ao longo do tempo, embora, como em todos os dispositivos DHT, ele novamente exibe a tendência de ler uma umidade mais alta do que deveria à medida que a temperatura aumenta. O sensor A falhou entre as duas séries de dados e tornou-se o segundo dos meus seis DHT22s a morrer. Como com o sensor B, ele exibe o comportamento insidioso de ainda produzir resultados de aparência sensata que se correlacionam corretamente com a temperatura. Ele é simplesmente compensado em 15%.

Figure 7. Sensores DHT22 A,D,E,F, o DHT11 e o SHT71 com cloreto de magnésio saturado na faixa de temperatura de 10-32°C. Os valores sobrelotados para comparação são valores extraídos da literatura publicada. As conclusões são consistentes com as medições anteriores. A inclinação do SHT71 novamente corresponde melhor aos dados de referência, o que significa que ele tem os menores erros relacionados à temperatura. As saídas DHT22 têm todas uma tendência a aumentar com a temperatura. Embora o coeficiente de temperatura esteja errado, a calibração absoluta do sensor A é aqui a melhor do lote. Infelizmente, pouco depois de tomar estes dados, falhou, como ilustrado na Figura 6.

Estes gráficos demonstram mais uma vez que estes experimentos são apenas tão precisos quanto a disponibilidade de referências de calibração e a literatura mostra uma variação considerável. Veja por exemplo o nitrato de amônio na Figura 6. Meus dois dados rodam com o SHT71 mostram um offset sistemático que é presumivelmente o desvio de calibração do sensor, mas esse offset é apenas aproximadamente o mesmo que a discrepância entre os conjuntos de dados Wexler e O’Brien publicados.

A diferença muito óbvia entre as Figuras 5 e 6 demonstra o sucesso da configuração do sistema. Como na Figura 3 do relatório DHT22, a principal conclusão disto é que podemos diferenciar claramente entre mudanças na sensibilidade do sensor e mudanças ambientais genuínas e nossas conclusões sobre a calibração do sensor são válidas, não erro experimental.

Parte 3: Como função simultânea de Temperatura e Umidade

Finalmente, se um sensor for usado para medir umidade sob uma faixa de temperaturas variáveis, uma calibração bivariada completa é necessária. Tal calibração na faixa de temperatura bastante moderada 10 < °C < 35 é mostrada na Figura 8. As curvas na Figura 4 são efectivamente secções transversais através destas superfícies.

Figure 8. Superfícies que mostram o desvio da saída do sensor em relação ao valor de referência em função tanto da temperatura como da humidade relativa. Os valores são para DHT11 e DHT22 são lidos diretamente dos dispositivos. Os valores de SHT71 foram corrigidos de temperatura e linearizados usando os parâmetros padrão da folha de dados do fabricante. Para o dispositivo DHT22 A I inclui apenas os dados anteriores ao turno repentino de 15%, portanto, este gráfico representa como ele foi realizado durante cerca de 18 meses, mas não é mais válido.

Exatidão da Temperatura

A pedido de um correspondente, eu incluo uma comparação rápida das saídas de temperatura. Meu aparelho não contém nenhuma referência externa contra a qual calibrar a saída de temperatura e, portanto, eu simplesmente traço uma comparação direta. Isto só mostra que eles concordam, não que estejam todos correctos, mas não acho que seja seriamente duvidoso que eles sejam suficientemente bons para a maioria dos fins. Os dispositivos DHT22/AM2302 combinam bem com o SHT71. SHT71 e E diferem por uma constante de 0,4°C, a maior divergência que eu já vi. A maioria dos outros diferem por ∼0.1°C. Tudo isto é consistente com os meus resultados anteriores apenas com a DHT22/AM2302. O DHT11 exibe mais dispersão mas normalmente vi a especificação dada como ±2°C e o meu dispositivo de teste entregue ±0,7°C. Eu olhei para a precisão absoluta do termômetro do BME280, mas esse teste não foi aplicado a esses sensores.

Figure 9. Comparação das saídas de temperatura dos vários dispositivos. Não tenho motivos para suspeitar de problemas com os termómetros em nenhum dos dispositivos.

Conclusão

• O SHT71 é claramente superior ao DHT22. Ele é melhor feito, pelo menos tão preciso, mais preciso e responde mais rapidamente à mudança. Claro que também custa dez vezes mais.
• Particularmente impressionante é a muito melhor estabilidade térmica do SHT71 em comparação com os outros. (Por exemplo, Figura 5.)
• Reliabilidade pode justificar o custo mais alto para você. Após alguns anos, meu SHT71 está funcionando bem.
• Dois dos meus seis dispositivos DHT22 / AM2303 falharam. A esperança de vida é de cerca de um a dois anos.
• Após 18 meses de operação contínua, apenas um dos meus seis dispositivos DHT22 / AM2303 (dispositivo E) é capaz de igualar o desempenho do meu SHT71. Claro que é possível que eu tenha conseguido um bom SHT71, mas não considero isso provável.
• O DHT22 certamente é melhor que o DHT11 e justifica facilmente o seu custo extra. Não me darei ao trabalho de brincar mais com o DHT11, mas certamente que funciona se tiver necessidade de um dispositivo barato e de especificações mais baixas.