Comparați DHT22, DHT11 și Sensirion SHT71

Introducere

Rezultatele mele publicate anterior au comparat șase higrometre AM2302 (alias DHT22, RHT03 și folosesc denumirile în mod interschimbabil pe tot parcursul articolului). Aici repet acel experiment folosind același aparat și aceleași tehnici, dar înlocuiesc doi dintre senzori cu modele alternative, un DHT11 și un Sensirion SHT71. Obiectivele lucrării anterioare au fost de a stabili dacă un senzor atât de ieftin ca AM2302/DHT22 se poate ridica la nivelul de precizie declarat. Concluzia mea a fost că, în experimentele mele, nu au făcut-o, dar au oferit performanțe surprinzător de bune și un raport calitate-preț foarte bun pentru majoritatea proiectelor casnice de bricolaj care nu sunt critice din punct de vedere al siguranței. Următoarea întrebare evidentă este dacă testele mele ar arăta că un dispozitiv mai scump ar fi mai bun. Din moment ce am reluat experimentul, am inclus și DHT11, chiar mai ieftin și cu specificații mai mici.

Filele de date pentru dispozitivele DHT11 și DHT22 tind să fie scurte. Numerele din tabelul de mai jos apar pe fișele tehnice și sunt de obicei citate de comercianții cu amănuntul. Pe de altă parte, fișa tehnică Sensirion este detaliată și cuprinzătoare, oferind precizia în funcție de umiditate, precum și detalii despre procedurile de calibrare și de liniarizare recomandate. Observați cum afirmațiile Sensirion privind precizia absolută sunt mai puțin stricte și mai credibile decât cele menționate în mod normal pentru dispozitivele DHT.

UPDATE: De la prima scriere a acestei pagini a apărut recent o fișă tehnică mult îmbunătățită, care conține atât traduceri mai clare în limba engleză, cât și specificații și diagrame mai detaliate. Aceasta pretinde în continuare o acuratețe tipică de ±2%, dar arată acum că acuratețea scade la ±5% la cele două limite extreme, <10% și >90%

Măsurarea precisă și repetabilă a umidității relative este, în mod notoriu, dificilă. Procedurile utilizate aici au fost dezvoltate pe o perioadă de aproximativ un an și sunt detaliate pe pagina mea de calibrare DHT22/AM2302. Nu sunt expert în higrometre. Pur și simplu am conceput cel mai bun experiment pe care l-am putut realiza pe baza citirii mai multor lucrări pe această temă și folosind câteva echipamente de uz casnic pe care le aveam prin preajmă.

Dispozitivele și aparatura de testare

Dispozitivele AM2302/DHT22 sunt aceleași unități pe care le-am folosit anterior. Ele sunt A,B,D,E și F din scrierea mea anterioară. Deși sunt menționate cinci, doar patru au fost testate la un moment dat. Senzorul B s-a defectat în timpul experimentului și a fost înlocuit cu E. Am adăugat un DHT11 și un Sensirion SHT71.

Configurarea aparatului este cea descrisă anterior. Toți senzorii au fost alimentați de la o sursă de alimentare de 5V d.c. cu comutație. A fost necesar să se adauge un nou software la microcontroler pentru a citi dispozitivul Sensirion și s-a bazat pe biblioteca Sensirion Arduino a lui Markus Schatzl și Carl Jackson.

Sursele de calibrare de referință sunt și ele în continuare aceleași, unsprezece soluții saturate de sare și apă distilată. Toate datele au fost colectate într-un mod similar cu cel anterior, senzorii fiind lăsați să se stabilizeze timp de câteva ore cu fiecare soluție.

Calitatea construcției

La un preț de peste zece ori mai mare, SHT71 este, în mod surprinzător, net superior celorlalți. Este atât mai mic, cât și se simte mai solid. Pinii din aliaj Cu/Be placat cu aur sunt foarte rezistenți în comparație cu cei de la DHT22 la care pinii se simt sincer ca și cum ar fi făcuți din folie groasă de aluminiu. Rețineți că SHT71 are pini de separare de 1,27 mm, ceea ce îl face mai puțin ușor de conectat la Arduinos și bread-board-uri obișnuite de 2,54 mm pentru amatori. Eu l-am montat pe al meu într-un bloc header de 2,54 mm pentru o manevrare mai ușoară.

Figura 1. Comparație a ambalajului SHT71 în comparație cu AM2302. DHT11 arată similar cu AM2302. Deși este ceva mai mic, are, de asemenea, pini de separare de 0,1″. SHT71 are pini de separare de 0,05″.

Viteza de răspuns

ShT71 a răspuns în mod constant cel mai rapid la modificări, înregistrând o modificare în câteva secunde. DHT22/AM2302 pare să dureze aproximativ 30sec, iar DHT11 poate dura câteva minute. Cu toate acestea, DHT22 stochează o citire în memorie și o returnează ori de câte ori este solicitată din nou o valoare. Deoarece eșantionez doar la fiecare 30sec, valorile DHT22 sunt întotdeauna de la 30secago, motiv pentru care variația în trepte din figura 2 întârzie cu 30sec față de SHT71.

Toți senzorii (inclusiv SHT71) pot avea nevoie de câteva ore pentru a se stabiliza complet la umidități ridicate. Deși o parte din acest lucru poate fi din cauza dispozitivului, bănuiesc că este cu adevărat nevoie de câteva ore pentru a echilibra și satura aerul din interiorul borcanului după un schimb. Cu toate acestea, faptul relativ că SHT71 este cel mai rapid și DHT11 cel mai lent este evident real, deoarece toate acestea măsoară împreună același aer.

Figura 2. Un exemplu tipic de măsurători ale umidității pe măsură ce se schimbă soluția de probă. Valorile de ieșire de la SHT71 răspund în mod constant la prima citire după schimbare și prezintă o schimbare abruptă în trepte. DHT22s răspunde în mod tipic o probă mai târziu, deoarece returnează măsurători stocate în memoria cache, nu noi. DHT11 arată un fel de răspuns cu un minut sau două, dar poate dura ceva timp pentru a devia treptat spre noua măsurătoare.

Rezultate

Partea 1: În funcție de umiditate

În primul rând, analizăm răspunsul variabil al senzorului la diferite umidități de referință, toate măsurate la o singură temperatură fixă.

Figura 3. Graficele valorilor citite de higrometru în raport cu umiditatea de referință cunoscută. Sunt prezentate trei epoci. Verde este epoca 1 din mai 2014. Cele albastre sunt execuția 2 din august 2014 și sunt împărțite în cyan pentru datele despre care se știe că sunt corupte de autoîncălzirea B și albastru închis pentru datele considerate bune. Roșu sunt rularea 3 din noiembrie 2014.

Figura 4. Aceleași date ca în figura 3 cu aceleași ajustări polinomiale pătratice sunt replotate, dar axa verticală este acum diferența dintre valorile măsurate și cele de referință. Aceste diagrame prezintă eroarea care ar rezulta din utilizarea valorilor calibrate din fabrică. Pentru DHT11 și DHT22, acestea sunt citite direct de la senzor, fără recalibrare. Pentru SHT71, aceste valori au fost corectate în funcție de temperatură și liniarizate utilizând parametrii impliciți din fișa tehnică a producătorului. Sunt prezentate trei epoci. Culoarea verde reprezintă prima epocă din mai 2014. Cele albastre sunt execuția 2 din august 2014 și sunt împărțite în cyan pentru datele despre care se știe că sunt corupte de autoîncălzirea B și în albastru închis pentru datele considerate a fi bune. Roșu sunt datele din noiembrie 2014. Zona umbrită cu gri reprezintă specificațiile din fișele tehnice.

Sensirion SHT71

Este cel mai bun dintre senzori. Este cel mai liniar, cel mai stabil în timp și, fără îndoială, cel cu cele mai mici abateri absolute, deși, alegând cel mai bun dintre cei mai buni DHT22, aceștia sunt comparabili. Își poate justifica costul dacă aveți nevoie de o precizie suplimentară și, mai ales, de fiabilitate. Pentru majoritatea scopurilor de zi cu zi, ceilalți senzori sunt probabil adecvați, cu excepția inconsecvenței grosolane cauzate de autoîncălzirea senzorului B. În ceea ce privește repetabilitatea și consistența, SHT71 pare să câștige cu ușurință. Toleranțele de fabricație mai fine și controlul calității sunt, probabil, ceea ce se plătește pentru dispozitivele mai scumpe. Dispersia RMS în jurul liniei de potrivire este de 2%RH, dar aceasta este doar o estimare a preciziei globale în cazul în care se aplică curba de corecție și atâta timp cât această curbă de corecție rămâne neschimbată. Rețineți că acea dispersie de 2%RH include erorile sistematice din aparatul meu, precum și erorile de măsurare ale senzorilor. Adevărata umiditate generată de fiecare soluție este cunoscută doar până la aproximativ 2%RH. De exemplu, toți senzorii dau citiri cu 1-2% mai mici decât cele așteptate pentru nitratul de amoniu la 22°C, ceea ce sugerează că datele de referință pe care le folosesc sunt mai degrabă eronate decât senzorii. Fără propria mea curbă de corecție, erorile senzorului după aplicarea calibrării implicite a producătorului din fișa tehnică sunt de până la 5%. Toate punctele mele de date aproape că rămân în zona umbrită din specificațiile producătorului.

DHT11

După cum este specificat în fișa tehnică, acest dispozitiv nu este de folos sub 20% sau peste 90%, dar apoi, în ceea ce privește confortul fizic, tot ceea ce depășește 90% umiditate se simte la fel, adică umed. În mod similar, la orice sub 20% buzele mele încep să crape, astfel încât pentru multe utilizări diferența dintre 5% și 15% poate să nu fie importantă. Repetabilitatea (dispersia punctelor de date) este net inferioară tuturor celorlalți senzori (±5%), dar în intervalul său valid (20 < %RH < 90), calibrarea sa absolută este aproape la fel de bună ca și cea a DHT22. O curbă de calibrare nu este justificată de aceste date, deși un decalaj constant de aproximativ 4 % ar părea să îmbunătățească precizia citirii. În cazul în care autoîncălzirea senzorului B ar afecta DH11 adiacent, atunci decalajul necesar ar putea fi ușor mai mare. A fost începută o rulare de date fără autoîncălzire B, dar a fost abandonată când am decis să nu mai folosesc acest dispozitiv.

DHT22 / AM2302

Senzor A Ignorând runda 2, care a fost coruptă de senzorul B defect, acest dispozitiv a arătat bine până chiar înainte de sfârșitul experimentului, când a devenit al doilea dintre cele șase DHT22 care a cedat. Atunci când a funcționat, acesta a indicat în mod constant un nivel ridicat de 2%.
Senzorul B este foarte problematic. În timpul celei de-a doua rulări de date, dispozitivul era defect și funcționa la cald. Căldura a influențat, de asemenea, propriul său mediu local, astfel încât are o utilitate redusă ca măsură a condițiilor ambientale din jur. Chiar și atunci când nu s-a autoîncălzit în timpul rundei 3, comportamentul său pare să se fi schimbat într-o oarecare măsură. Acest dispozitiv a fost casat.
Senzorul C A fost testat doar o singură dată în timpul căreia rezultatele sale au fost remarcabil de asemănătoare cu cele ale SHT71.
Senzorul D s-a schimbat mai mult decât permite specificația, dar este încă tolerabil cu o eroare de aproximativ 5%. Modificările sale nu se explică prin încălzirea locală de la senzorul B. Aplicarea oricăreia dintre curbele de corecție ar îmbunătăți celelalte măsurători, astfel încât arată o anumită coerență, dar s-a schimbat în mod clar.
Senzorul E arată bine. Divergența la 100% ar putea fi doar câteva erori de înregistrare a datelor în runda 1 și, dacă ar fi să le ignorați, a rămas foarte consistent.
Senzorul F s-a schimbat puțin între măsurători. Din păcate, are cea mai agresivă curbură dintre toate curbele de calibrare, dar cel puțin a rămas rezonabil de constantă. Dacă aș aplica o curbă de corecție derivată din datele vechi, aceasta ar fi valabilă și acum.

Partea 2: În funcție de temperatură

Măsurătorile de mai sus au fost efectuate la temperaturi fixe (30°C și 22°C). În continuare analizăm modul în care reacționează senzorii în intervalul 10-40 °C. Există două efecte care trebuie deslușite. Dorim să măsurăm dacă răspunsul senzorilor se modifică în funcție de temperatură, dar știm că umiditatea generată de soluții este ea însăși sensibilă la temperatură. Prin urmare, „valorile de referință” nu mai sunt constante fixe, ci pante dependente de temperatură. Senzorii DHT22 A,D,E,F, DHT11 și SHT71 au fost testați cu toate soluțiile saturate, iar diagramele pentru trei dintre aceștia sunt prezentate în figurile 5, 6 și 7. Compușii selectați pentru a fi incluși aici sunt:

• NaCl, deoarece este de departe cel mai studiat și bine calibrat din setul nostru și, de asemenea, deoarece are cea mai slabă dependență de temperatură. Pentru acest caz special abia dacă avem nevoie să trasăm o pantă. Umiditatea este fixă de 75% pe toată gama noastră de temperaturi.
• NH4NO3 deoarece este singurul compus inclus cu un coeficient de temperatură foarte puternic. În cazul în care senzorii funcționează, acesta va prezenta o pantă puternică, spre deosebire de NaCl.
• MgCl selectat ca un alt compus foarte utilizat în mod obișnuit și care, fiind în intervalul de umiditate scăzută, este diferit de celelalte două.

Figura 5. Senzorii DHT22 A,D,E,F, DHT11 și SHT71 testați cu clorură de sodiu saturată în intervalul de temperatură 12-35°C. Suprapuse pentru comparație sunt valorile preluate din literatura de specialitate publicată. Deși indică o valoare ridicată cu 1%, SHT71 este singurul care prezintă un comportament corect, independent de temperatură. Toate DHT22 arată citiri ale umidității care cresc odată cu temperatura, în concordanță cu studiul meu anterior, efectuat numai pe DHT22

Figura 6. Senzorii DHT22 A,D,E,F, DHT11 și SHT71 cu nitrat de amoniu saturat în intervalul de temperatură 10-35°C. Suprapuse pentru comparație sunt valorile preluate din literatura de specialitate publicată. Două serii de date au fost obținute la câteva luni distanță. Toți senzorii ilustrează corect faptul că solubilitatea nitratului de amoniu depinde în mare măsură de temperatură, ceea ce face ca umiditatea de deasupra soluției saturate să se modifice în funcție de temperatură. Din nou, SHT71 se potrivește cel mai bine cu datele de referință. Majoritatea senzorilor prezintă o derivă de 1-2% între cele două serii de date. Senzorul E a rămas foarte consecvent în timp, deși, la fel ca în cazul tuturor dispozitivelor DHT, acesta prezintă din nou tendința de a citi o umiditate mai mare decât ar trebui pe măsură ce temperatura crește. Senzorul A s-a defectat între cele două rulări de date și a devenit al doilea dintre cele șase DHT22 ale mele care a murit. La fel ca în cazul senzorului B, acesta prezintă comportamentul insidios de a produce în continuare rezultate rezonabile care se corelează corect cu temperatura. Acesta este pur și simplu decalat cu 15%.

Figura 7. Senzorii DHT22 A,D,E,F, DHT11 și SHT71 cu clorură de magneziu saturată în intervalul de temperatură 10-32°C. Suprapuse pentru comparație sunt valorile preluate din literatura de specialitate publicată. Concluziile sunt în concordanță cu măsurătorile anterioare. Panta modelului SHT71 se potrivește din nou cel mai bine cu datele de referință, ceea ce înseamnă că acesta are cele mai mici erori legate de temperatură. Toate ieșirile DHT22 au tendința de a crește odată cu temperatura. Deși coeficientul de temperatură este greșit, calibrarea absolută a senzorului A este aici cea mai bună dintre toate. Din păcate, la scurt timp după ce a luat aceste date, acesta s-a defectat, așa cum este ilustrat în figura 6.

Aceste diagrame demonstrează încă o dată un aspect menționat în repetate rânduri, și anume că aceste experimente sunt la fel de precise ca și disponibilitatea referințelor de calibrare, iar literatura de specialitate arată o variație considerabilă. Priviți, de exemplu, nitratul de amoniu din figura 6. Cele două rulări ale mele de date cu SHT71 arată un decalaj sistematic care se presupune că este deriva de calibrare a senzorului, dar acest decalaj este doar aproximativ la fel de mare ca discrepanța dintre seturile de date publicate de Wexler și O’Brien.

Diferența foarte evidentă dintre figurile 5 și 6 demonstrează succesul configurației sistemului. Ca și în cazul figurii 3 din raportul DHT22, concluzia principală este că putem face o diferență clară între schimbările de sensibilitate ale senzorului și schimbările autentice de mediu, iar concluziile noastre cu privire la calibrarea senzorului sunt valide, nu sunt erori experimentale.

Partea 3: Ca funcție simultană a temperaturii și umidității

În cele din urmă, dacă un senzor urmează să fie utilizat pentru a măsura umiditatea într-o gamă de temperaturi variabile, este necesară o calibrare bivariată completă. O astfel de calibrare pe un interval de temperatură destul de moderat de 10 < °C < 35 este prezentată în figura 8. Curbele din figura 4 sunt, de fapt, secțiuni transversale prin aceste suprafețe.

Figura 8. Suprafețe care arată abaterea ieșirii senzorului de la valoarea de referință în funcție atât de temperatură, cât și de umiditate relativă. Valorile sunt pentru DHT11 și DHT22 sunt citite direct din dispozitive. Valorile de la SHT71 au fost corectate în funcție de temperatură și liniarizate folosind parametrii impliciți din fișa tehnică a producătorului. Pentru dispozitivul DHT22 A am inclus doar datele de dinainte de schimbarea bruscă de 15%, astfel încât acest grafic reprezintă modul în care s-a comportat timp de aproximativ 18 luni, dar nu mai este valabil.

Precizia temperaturii

La cererea unui corespondent, am inclus o comparație rapidă a ieșirilor de temperatură. Aparatul meu nu conține nicio referință externă față de care să se calibreze ieșirea de temperatură și, prin urmare, am trasat pur și simplu o comparație directă. În mod strict, acest lucru arată doar că ele sunt în concordanță, nu că sunt toate corecte, dar nu cred că este serios pus la îndoială faptul că sunt suficient de bune pentru majoritatea scopurilor. Dispozitivele DHT22/AM2302 se potrivesc bine cu SHT71. SHT71 și E diferă cu o constantă de 0,4°C, cea mai mare divergență pe care am văzut-o. Cele mai multe dintre celelalte diferă cu ∼0,1°C. Toate acestea sunt în concordanță cu rezultatele mele anterioare obținute doar cu DHT22/AM2302. DHT11 prezintă o dispersie mai mare, dar, în mod normal, am văzut că specificația este de ±2°C, iar dispozitivul meu de testare a indicat ±0,7°C. Am analizat în altă parte precizia absolută a termometrului BME280, dar acest test nu a fost aplicat la acești senzori.

Figura 9. Comparație între ieșirile de temperatură de la diferitele dispozitive. Nu am niciun motiv să suspectez probleme cu termometrele din niciunul dintre dispozitive.

Concluzie

• ShT71 este în mod clar superior lui DHT22. Este mai bine făcut, cel puțin la fel de exact, mai precis și răspunde mai rapid la schimbări. Desigur, costă și de zece ori mai mult.
• Deosebit de izbitoare este stabilitatea termică mult mai bună a SHT71 în comparație cu celelalte. (De exemplu, figura 5.)
• Fiabilitatea ar putea justifica costul mai mare pentru dumneavoastră. După câțiva ani, singurul meu SHT71 funcționează bine.
• Două din cele șase dispozitive DHT22 / AM2303 ale mele au cedat. Speranța de viață este de aproximativ unu până la doi ani.
• După 18 luni de funcționare continuă, doar unul dintre cele șase dispozitive DHT22 / AM2303 ale mele (dispozitivul E) este capabil să egaleze performanța SHT71-ului meu. Desigur, este posibil ca eu să fi primit singurul SHT71 bun, dar nu consider acest lucru probabil.
• DHT22 este cu siguranță mai bun decât DHT11 și justifică cu ușurință costul său suplimentar. Nu mă voi deranja să mă mai joc cu DHT11, dar cu siguranță funcționează dacă aveți nevoie de un dispozitiv ieftin, cu specificații mai mici.

.