Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Použitím viacerých rovnakých senzorov môžeme zvýšiť presnosť a minimalizovať chybu merania. Kontinuálnym, takmer ročným meraním teploty a relatívnej vlhkosti v rôznych prostrediach sme porovnali merania viacerých senzorov SHT31 SMART GADGET značky Sensirion s inými senzormi na meranie teploty. Výsledky merania sú zaujímavé.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxiO možnostiach využitia SHT31 SMART GADGET na meranie teploty sme písali v predošlom článku.

Tento vývojový kit predstavuje používateľsky veľmi prívetivé a zároveň sofistikované zariadenie na meranie teploty a relatívnej vlhkosti (RH) s možnosťou exportu nameraných riadkov (prvý údaj v riadku je Unix-ovský čas a ďalší teplota resp. RH) v dvoch súboroch odpovedajúcich záznamu teploty a RH.

Export je možný prostredníctvom obsiahnutého Bluetooth (BT) modulu v komunikácii s Android či iOS aplikáciou Sensirion MyAmbience. Chyba merania udávaná výrobcom je pri meraní RH ±2% a teploty ±0.3°C. Aplikácia Sensirion MyAmbience umožňuje aj priamo v mobilnom telefóne prehliadať namerané údaje oboch meraných veličín v časovom úseku 10 min., 1 a 6 hod., 1 deň, 1 a 4 týždne.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxiNa PrintScreene aplikácie z obrazovky mobilného telefónu (obrázok vľavo) takto môžeme vidieť zmeny teploty v mrazničke (úroveň okolo -20°C), chladničke (úroveň okolo 5°C) či v rúre na pečenie (úroveň okolo 50°C).

Dlhý rovný úsek predstavuje vynechané údaje po zmene meracieho intervalu pred začatím merania teploty v rúre na pečenie.

Druhý obrázok vpravo zasa ilustruje zmenu RH počas merania v už zmienenej rúre.

Aké zistenia nám vyplynuli z dlhodobého a pomerne častého využívania SHT31 SMART GADGET?

   

KAPACITA BATÉRIÍ

S každým mesiacom merania bolo možné sledovať istý pokles kapacity batérie CR2032. Otázka bola: Ako dlho bude možné Gadgetom SHT31 merať bez potreby výmeny batérie?

Je známy prípad, keď zariadenie SHT31, ktoré bolo používané skôr ako estetický doplnok (bez exportov nameraných údajov), meria už takmer tri roky bez potreby výmeny batérie. Naše zariadenia ktoré sme mali k dispozícii boli používané počas 13 mesiacov viac ako 70 krát. Išlo o merania v rozsahu niekoľkých hodín až štyroch týždňov, ktoré prebiehali v interiéri aj exteriéri. Pomerne časté zapínanie BT na prenos údajov (občas aj so zabudnutým vypnutím BT) ale aj merania v chladničke, mrazničke, vo vode pri 0°C či v rúre na pečenie mali vplyv na kapacitu batérie.

Grafickú závislosť kapacity batérií v percentách od počtu mesiacov ilustruje nasledujúci obrázok. (Graf1)

Z neho je zrejmý prudký pokles kapacity batérie jedného SHT31 (červená farba) – ide práve o to zariadenie, na ktorom bolo zapnuté BT počas 24 hod.

Priebeh zmien kapacity batérie zvyšných troch SHT31 po meraniach v mrazničke, chladničke či pri 0°C ilustruje zasa nasledujúci obrázok, pričom body v grafe naznačujú čas exportu nameraných údajov teploty a RH. (Graf2)

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Zaujímavý je aj priebeh zmeny kapacity batérií ďalších štyroch, neskôr používaných Gadgetov SHT31.

Po 8 mesiacoch používania je zrejmé, že zatiaľ najhoršie na tom je batéria znázornená zeleným priebehom (Graf3)

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Pri poklese kapacity batérie na hranicu okolo 33% (napätie batérie ≈2,6 V), nie je možné zapnúť BT a využiť ho na prenos údajov do mobilného zariadenia. Na známom displeji SHT31 s údajmi RH a teploty pribudne ikonka “prázdnej” batérie a niekedy zmiznú údaje o RH a teplote, a ostane len ikonka “prázdnej” batérie.

Je zrejmé, že kapacita batérie bude rýchlo klesať pri potrebe dlhodobého zapnutia BT, či pri meraní teplôt vo veľkom rozsahu.


Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

EXPORT NAMERANÝCH ÚDAJOV

Export údajov je možný po zvolení ikonky pre nastavenie (ozubené sivé koliesko) na obrazovke aplikácie Sensirion MyAmbience, kde:

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Gadget name – umožňuje zmenu mena zariadenia, Logging interval – ponúka možnosť voľby meracieho intervalu od 1s, 10s, 1 min., 5 min., 10 min., 1 hod. a 3 hod.

Battery Status – ukazuje stav batérie v %,

Firmware version – oznamuje aktuálnu verziu firmvéru,

Sync now – udáva dátum a čas poslednej synchronizácie mobilu so zariadením,

Export – umožní exportovanie nameraných údajov napr. na e-mail v textovej prílohe,

Connect – umožňuje pripojiť zariadenie SHT31,

Auto-Connect – ak je zariadenie v dosahu BT, automaticky ho pripojí cez BT k mobilnému telefónu,

Delete – odstráni zo zoznamu zariadení aktuálne zariadenie.

Voľbou Sync now a potom Export je možné napr. e-mailom odoslať 2 súbory, jeden pre teplotu a druhý pre RH.
Nasledovné spracovanie nameraných údajov, konverzia Unix-ového času na zrozumiteľný čas pre používateľa a pre použitie v grafoch, je opísaný v už zmienenom článku na našej stránke.

Aj keď je možný export okolo 17 000 riadkov (pri vynechávaní predchádzajúcich aj prebiehajúcich meraní), predsa len reálny, s minimálnym vynechávaním nameraných údajov, je možný export okolo 9 000 riadkov.
Aby to bolo možné, je potrebné vybrať batériu zo zariadenia na čas napr. 2 minút (ani po 15 s vybratí nebolo zabezpečené zmazanie predchádzajúcich meraní) a odstrániť zariadenie z aplikácie.

Vtedy aj graf v aplikácii bude začínať od začiatku “resetu“. Upozornenie, ktoré pri zmene meracieho intervalu (voľba Logging interval) oznamuje že: „Setting a new logging interval discards all data currently stored on the gadged“ totiž nie vždy funguje.

MOŽNOSTI VYUŽITIA SHT31 PRI MERANIACH TEPLOTY A RH

Pri využití štyroch teplomerov na meranie teploty sme v predchádzajúcom článku konštatovali, že rozdiel medzi tmax a tmin pri meraní konštantnej teploty štyroch teplomerov je 0,24°C, čo je lepší výsledok ako udáva výrobca.

Čo ak použijeme ďalšie 4 teplomery? Bude rozptyl nameraných hodnôt vzhľadom na väčší počet zariadení vyšší ako 0,3°C?

Nasledujúci obrázok ilustruje zmeny teplôt 8 teplomerov pri meraní konštantnej teploty.

Štyri teplomery merajú teplotu v okolí 22,6°C, tri v rozmedzí 22,5 - 22,55°C a jeden v rozmedzí 22,4 - 22,45°C. Rozdiel medzi tmax a tmin pri meraní 8 teplomermi je 0,28°C aj keď, ako vyplýva z obrázka, ide o rozdiel medzi extrémami, ktoré nastávajú iba občas. Ak by tých 8 teplomerov meralo teplotu na 8 rôznych miestach, naozaj môžeme počítať s chybou merania ±0.3°C.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Čo sa týka merania RH, v tomto prípade bol zistený rozdiel medzi RHmax a RHmin 2,03%. Opäť, ide o rozdiel medzi extrémnymi hodnotami, ktoré nastávajú iba občas, takže aj pri meraní RH jedným zariadením, môžeme počítať s chybou merania RH ±2%.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Viacero zariadení SHT31 je možné aplikovať na rôzne typy meraní teploty aj RH. Takto počas mesiaca júl 2019 bolo umiestnených sedem SHT31 na rôzne podlažia nášho pracoviska, vrátane suterénnych priestorov.

Svetlomodrá krivka umiestnená v grafe celkom dole ilustruje teplotu v laboratóriu v suteréne. Tmavomodrá „cik-cak“ krivka zasa teplotu v kancelárii. Žltá, zvlnená krivka ilustruje zmeny teploty vo vstupnej chodbe na 2.poschodí budovy atď.

Takto môžeme získať prehľad zmien teplôt v rôznych miestnostiach v rámci jednej budovy. Z grafu je zrejmé, že rozdiel teplôt v budove predstavuje takmer 10°C.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Zaujímavejšie sa môže javiť meranie RH, kde v suteréne by mohla byť nameraná väčšia RH ako v iných miestnostiach pracoviska. Farby v oboch grafoch odpovedajú rovnakým miestnostiam.

Tak napr. vlhkosť v laboratóriu umiestnenom v suteréne (svetlomodrá krivka) v týždni od 28.7. do 4.8.2019 prekročila RH 75%, takže taký priestor by nebol vhodný na uskladnenie napr. multimetrov UT 803 a UT 805, ktoré vyžadujú RH < 75%. Navyše, hodnoty blízke RH 75% pretrvávali v laboratóriu približne 2 týždne.

V ostatných miestnostiach a laboratóriách RH neprevyšuje 65%.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Na záver tejto časti o skúsenostiach s SHT31 SMART GADGET chceme dodať ešte jeden postreh.
Pri meraní teploty vody sa do ochranného obalu dostala voda. SHT31 bol mokrý a displej bez údajov. Po okamžitom vybratí batérie, utretí, niekoľkohodinovom sušení pri izbovej teplote a opätovnom vložení batérie SHT31 SMART GADGET opäť meral RH a teplotu okolia.

MERANIE TEPLOTY A RH ĎALŠÍMI SENZORMI 

SOS electronic okrem zmieneného zariadenia SHT31 SMART GADGET ponúka aj diskrétne senzory schopné merať teplotu aj RH. Tie je však potrebné pripojiť k nejakému zariadeniu typu Arduino, schopnému preniesť a uložiť namerané údaje.

Samozrejme, v porovnaní s SHT31 SMART GADGET nejde o „hotové“ komplexné zariadenie. Bude potrebné všetko naprogramovať a oživiť napr. ukladanie údajov na SD kartu či wifi modul (podľa použitého typu Arduina) potrebný na export nameraných údajov na server, kde bude prebiehať ďalšie spracovanie údajov. Výstupy senzorov ako analógový, digitálny či I2C nie sú pre Arduino problémom a tak je na používateľovi, pre ktorý senzor sa rozhodne.

Samozrejme, dôležitou informáciou je aj to, s akou chybou daný senzor meria. Tak napr.: Senzor SHT 31D BOB meria s chybou ±2% RH ±0,3°C. 

Senzor SHT 85 meria s chybou ±1.5% RH ±0.1°C. Ako prezrádza skratka SHT, ide o produkty firmy Sensirion (písmeno S) schopné merať relatívnu vlhkosť RH (písmeno H) a teplotu (písmeno T). Ďalší senzor, ktorý má SOS electronic v sortimente je Dallas DS 18B20+. Ide o 1-Wire digitálny senzor, ktorý meria iba teplotu s chybou ±0,5°C. 

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Samozrejme, uvedené chyby merania platia len pre istý rozsah meraných veličín a preto sú katalógové listy (datasheets) užitočným pomocníkom pri návrhu komplexnejšieho meracieho zariadenia a vyhodnotenia chyby merania.

Bolo by zaujímavé porovnať, aké hodnoty budú namerané pri konštantnej teplote a preto boli vyskúšané všetky tri typy senzorov spolu aj s SHT31 SMART GADGET.

Senzory SHT 31D BOB, SHT 85 a DS 18B20+ boli pripojené k Arduinu Nano s tým, že výsledky boli ukladané na SD kartu. Zariadenia boli uložené v krabici (na obrázku môžeme vidieť 8x Dallas DS 18B20+, 6x SHT31 SMART GADGET a 1x SHT 85) a Arduino Nano s SHT 31D BOB boli uložené mimo krabice.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Meranie prebehlo na pracovisku počas víkendu, kedy bol predpoklad minimálnej zmeny teploty. Celkovo išlo o 65 hodín merania, toľko vydržala 5000 mAh power banka.

Mikrokontrolér Arduino meral nepretržite aj vzhľadom na to, že merací interval bol menší ako 30 s (3 s) nebolo potrebné ho uvádzať do spánkového režimu, pretože by inak pri „zobúdzaní a uspávaní“ spotreboval viac energie celkovou inicializáciou ako v stand-by mode očakávajúcom pokyny.


SHT31 SMART GADGET merali v 1 min. intervale RH a teplotu z dôvodu neprekročenia ≈ 9000 riadkov záznamu. Napriek odobratiu batérie, odstráneniu zariadení a ich opätovnom pridaní do aplikácie Sensirion MyAmbience, boli zaznamenané občasné krátke výpadky v zázname údajov.


Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxi

Horný obrázok počas vybraného 15 min. záznamu hodnôt ilustruje nameranú teplotu ôsmimi senzormi Dallas DS 18B20+ (T1 – T8 – tenké čiary), hrubou čiernou krivkou nameranú teplotu jedným senzorom SHT 85 a hrubá žltá krivka reprezentuje nameranú teplotu jedným SHT 31D BOB.
Červená hrubá krivka zasa predstavuje priemernú hodnotu vypočítanú z ôsmich Dallas DS 18B20+.

Z obrázku je zrejmá aj výhoda viacnásobného merania veličiny viacerými senzormi, čo má za následok presnejšie meranie a teda priblíženie sa ku skutočnej teplote.
Viacnásobné meranie zároveň odhaľuje skutočný rozptyl meradiel, tak napr. jeden Dallas DS 18B20+ ukazuje približne o 0,3°C viac, ako ostatných 7. Celkovo bol rozptyl meranej teploty (tmax – tmin) 0,63°C.

Na spodnom obrázku sú zobrazené teploty merané v 1 min. intervaloch šiestimi SHT31 SMART GADGET, pričom hrubá červená krivka je priemerná hodnota meranej teploty.

Porovnaním jednotlivých teplotných kriviek sme zistili, že:

• 8 senzorov Dallas DS 18B20+ (±0,5°C) meralo teplotu v rozmedzí od 23,31°C do 23,94°C (tmax- tmin=0,63°C). Priemerná teplota bola však v rozmedzí od 23,50°C do 23,55°C (tmax- tmin=0,05°C),

• 6 zariadení SHT31 SMART GADGET (RH ±2%, ±0.3°C) meralo teplotu v rozmedzí od 23,23°C do 23,56°C (tmax- tmin=0,33°C). Priemerná teplota bola v rozmedzí od 23,35°C do 23,37°C (tmax- tmin=0,02°C),

• 1 senzor SHT 31D BOB (±2% RH ±0,3°C ) meral teplotu v rozmedzí od 23,64°C do 23,72°C (tmax- tmin=0,08°C),

• a najpresnejší 1 senzor SHT 85 (±1.5% RH ±0.1°C) meral teplotu v rozmedzí od 23,42°C do 23,51°C (tmax- tmin=0,09°C).

Uvedené postrehy sprehľadňuje nasledujúci obrázok.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxiTenkými čiarami je naznačené rozpätie (tmax – tmin) meraných teplôt, konkrétne: senzoru Dallas DS 18B20+ – čierna farba, SHT31 SMART GADGET – zelená farba, SHT 31D BOB – svetlomodrá farba (keďže meral iba 1 ks, rozpätie meranej teploty je naznačené svetlomodrým hrubým pásom) a napokon senzoru SHT 85 odpovedá červená farba.

Aj v tomto prípade, keďže bol použitý 1 ks SHT 85, rozpätie meranej teploty je naznačené červeným hrubým pásom.
Čierny resp. zelený hrubý pás predstavujú rozpätie priemernej teploty vypočítanej z 8 ks Dallas DS 18B20+ resp. zo 6 ks SHT31 SMART GADGET.

Samozrejme, za úvahu by stálo meranie s viacerými SHT 31D BOB, či SHT 85. V tomto článku sme však chceli poukázať na využitie rôznych senzorov na meranie teploty, či RH nielen jedným senzorom ale aj viacerými súčasne – čo spresňuje samotné meranie.

Čo sa týka merania RH, počas víkendu sa menila RH tak, ako to ilustruje obrázok.

Meranie teploty a vlhkosti aj senzormi Sensirion v praxiS každou hodinou RH klesala, pričom tenké krivky naznačujú merania jednotlivých 6 ks SHT31 SMART GADGET-ov a hrubá červená krivka odpovedá ich priemeru.

Ďalšie dva hrubé priebehy zmeny RH odpovedajú meraniu SHT 31D BOB – hnedá a SHT 85 – svetlo modrá farba. Zaujímavé pritom je, že na začiatku grafu je RHmax – RHmin ≈ 3% a po 60 hodinách merania je už ≈ 2%, ako to uvádza výrobca (RH ±2%).

Záver

V súčasnosti je k dispozícii pomerne veľký výber senzorov merajúcich nielen teplotu či RH ale aj iných veličín napr. v spojitosti s kvalitou ovzdušia. Je len na používateľovi, aký senzor si vyberie, napr. aj z ponuky SOS electronic, pričom okrem ceny je potrebné prihliadať aj na ich chybu, s ktorou senzor meria a na poskytovaný výstup.

Navyše, používateľ môže zvýšiť presnosť merania a tak minimalizovať chybu merania pri meraní viacerými senzormi súčasne v porovnaní s využitím iba jedného senzora.

Autori článku:
doc. Ing. Milan Guzan, PhD.,
Ing. Adam Fehér,
Bc. Róbert Mitro 

Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky, FEI, 
Technická univerzita v Košiciach

Nezmeškajte takéto články!

Páčia sa Vám naše články? Nezmeškajte už ani jeden z nich!
Nemusíte sa o nič starať, my zabezpečíme doručenie až k Vám.

Súvisiace články

Doplňujúce produkty


SHT 31 SMART GADGET (SHT31 Smart Gadget Development kit) SENSIRION  
SHT 31 SMART GADGET (SHT31 Smart Gadget Development kit)

Referenčný návrh a vývojový kit s Bluetooth 4.0 pre SHT31-DISB

Vývojové prostriedky

Obj. číslo: 217297
Výrobca: SENSIRION
na sklade 8 ks
(25.06.2021: 10 ks)
(02.07.2021: 10 ks)
1 ks+
10 ks+
23,00 €
22,50 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

SHT 85 SENSIRION  
SHT 85

Senzor vlhkosti a teploty ±1.5% RH ±0.1°C I2C SIL4

Senzory teploty a vlhkosti

Obj. číslo: 305843
Výrobca: SENSIRION
na sklade 245 ks
(26.03.2021: 300 ks)
1 ks+
10 ks+
50 ks+
100 ks+
23,40 €
19,60 €
18,90 €
17,70 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

DS 18B20+ MAXIM  
DS 18B20+

Senzor teploty digitálny ±0,5°C 1-Wire TO92

Senzory teploty a vlhkosti

Obj. číslo: 9398
Výrobca: MAXIM
na sklade 0 ks
(Termín dodania preverujeme: 32000 ks)
2 ks+
4 ks+
20 ks+
50 ks+
2000 ks+
1,0800 €
1,0400 €
0,9430 €
0,9000 €
0,6760 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

SHT 31D BOB VARIOUS  
SHT 31D BOB

SHT31-DIS-B na plošnom spoji s konektorom ±2% RH ±0,3°C

Senzory teploty a vlhkosti

Obj. číslo: 218177
Výrobca: VARIOUS
na sklade 97 ks
1 ks+
4,49 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

Arduino Nano 3.0 (A000005) ARDUINO  
Arduino Nano 3.0 (A000005)

Develeopment Kit For Evaluation Of ATmega328P

Maker boards pre vývoj, testovanie a vzdelávanie

Obj. číslo: 104364
Výrobca: ARDUINO
na sklade 4 ks
1 ks+
18,90 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača

CR 2032 (CR2032 MFR.IB) RENATA  
CR 2032 (CR2032 MFR.IB)

Batéria lítiová 3V 225mAh D20x3,2mm

Batérie

Obj. číslo: 3358
Výrobca: RENATA
na sklade 2764 ks
(12.03.2021: 1200 ks)
10 ks+
20 ks+
50 ks+
400 ks+
1200 ks+
0,2590 €
0,2510 €
0,2340 €
0,2000 €
0,1900 €
Objednávam:
  • Vložiť do košíka
  • Vyžiadať cenu
  • Pridať k obľúbeným
  • Sledovať produkt
  • Pridať produkt do porovnávača
Súbory cookie nám pomáhajú poskytovať služby. Používaním našich služieb vyjadrujete súhlas s používaním súborov cookie.
OK Viac info