Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren im Vergleichstest

Wer viel misst, misst Mist. Gute Sensor-Breakouts sollten jedoch keine Fantasiewerte ausspucken. Wir testen acht Vertreter der Gattung.

Die Verkabelung eines Sensors und das zyklische Auslesen der Werte gelingt leicht. Vermutlich hat Sie dabei schon einmal das Gefühl beschlichen, dass die merkwürdig hohen Zahlen nicht stimmen. Ein Zweitgerät macht die Verwirrung perfekt, denn Abweichungen von zwei Grad kommen durchaus vor. Schnell keimt dann der Verdacht auf, es mit einem schlechten Exemplar oder Billigware zu tun zu haben. Da fragt man sich, ob die mysteriös hohen Messwerte an schwachen Produkten liegen oder die Datenblätter nicht stimmen.

Beiden Verdachtsmomenten gehen wir nach und versuchen ein paar Empfehlungen zu geben. Acht gängige Sensorbausteine in bis zu vier Exemplaren müssen sich dem Test stellen (Abbildung 1). Der Großteil davon stammt von Berrybase oder Pimoroni und befand sich teilweise schon länger in der Bastelkiste. Die Tabelle “Testkandidaten” gibt einen Überblick über Ausstattung, technische Werte und Preise.

Abbildung 1: Die Testkandidaten fristeten teilweise schon geraume Zeit ein verschlafenes Dasein im Bestand des Autors.

Neben der Temperatur messen viele der Sensoren die Luftfeuchte, die Bosch-Sensoren ermitteln zudem den Luftdruck. Der BMP280 kostet sehr wenig, was vermuten lässt, dass es sich um einen Billig-Klon handelt. Ein Exot in der Kandidatenliste ist der DS18B20: Er hat keine I²C-Schnittstelle und kommt nicht als Breakout, sondern als IC im TO-92-Format. Der Anschluss erfolgt per 1-Wire-Protokoll.

Bei Tests wären viele Exemplare pro Produkt wünschenswert, was aus Kosten- und Zeitgründen nicht infrage kam. Wir schickten aber immer mindestens zwei Exemplare ins Rennen, mit Ausnahme des teuersten Sensors SHT45. Zudem decken die Produkte nicht alle Anwendungsszenarien ab. Möchten Sie etwa einen eigenen Lötofen bauen, brauchen Sie einen Sensor mit einem ganz anderen Temperaturbereich. An der Unterseite der Temperaturskala ist bei unserer Auswahl spätestens bei -40 Grad Celsius Schluss.

Genauigkeit und Präzision

In den Datenblättern tauchen die beiden Begriffe Genauigkeit und Präzision auf – hier besteht Verwechslungsgefahr. Die Genauigkeit bezeichnet die typische Differenz zum wahren Wert. Die Präzision informiert darüber, wie stark wiederholte Messungen desselben Werts schwanken. Die Werte in den Datenblättern lassen sich nur schwer vergleichen, da sie die Genauigkeit meist in den zwei Ausprägungen “typisch” und “maximal” angeben.

Oft verwenden die Anbieter zusätzlich Grafiken. Allerdings sind diese Kurven ohne Zusatzinformationen unvollständig und lassen Interpretationsspielraum. Weder Abbildung 2 noch das HTU31D-Datenblatt an sich geben Auskunft darüber, wie viel Prozent aller Exemplare innerhalb der “typischen” oder “maximalen” Kurve liegen.

Die zum DS18B20 gehörende Abbildung 3 verwendet dagegen 3-Sigma-Werte. Es liegen also 99,73 Prozent der Sensoren innerhalb dieser Grenzen [1]. Das ist vorbildlich, denn viele Anbieter verwenden die 2-Sigma-Grenze (95,45 Prozent), die den Sensor besser aussehen lässt. In der DS18B20-Kurve fehlen andererseits Toleranzwerte für die Randbereiche.

Abbildung 2: Die Genauigkeitskurve des HTU31D verschweigt, wie viel Prozent sämtlicher Exemplare sich innerhalb der Kurven ansiedelt. Quelle: TE Connectivity (Datenblatt HTU31D)

Abbildung 3: Die Genauigkeitskurve des DS18B20 umfasst 3-Sigma-Werte und fällt somit präziser aus. Quelle: Maxim (Datenblatt DS18B20)

Darüber hinaus gibt es zahlreiche die Genauigkeit beeinflussende Faktoren, wie die Art der Qualitätskontrolle, die Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, das Alter der Sensoren, der Aufbau der Platine samt Zusatzkomponenten und den Lötvorgang. Manchmal finden Sie in Fußnoten entscheidende Informationen. Bosch vermerkt etwa, dass der Temperaturmesswert seiner Sensoren typischerweise über der Umgebungstemperatur rangiert.

Als Fazit nach dem Studium zahlreicher Datenblätter bleibt die Erkenntnis, dass Sie die Genauigkeitswerte eher als Anhaltspunkt denn als hartes Faktum einordnen sollten.

Messaufbau

Grau ist alle Theorie, deshalb mussten sich die Sensoren in verschiedenen Messdurchgängen beweisen. Die Beurteilung der absoluten Genauigkeit hätte ein hochpräzises Thermometer oder eine Messkammer mit exakt einstellbarer Temperatur und Luftfeuchte erfordert. Da beides nicht zur Verfügung stand, handelt es sich bei unserem Test keinesfalls um eine wissenschaftliche Untersuchung. Die Messwerte müssen Sie also im Vergleich zum Durchschnitt aller Sensoren bewerten. Die Theorie hinter diesem sogenannten Crowdsensing lautet, dass der Durchschnitt vieler unabhängiger Messungen genauer ausfällt als jede Einzelmessung.

Die 21 Sensoren im Test haben wir auf vier I²C- und einen 1-Wire-Bus verteilt. Zwei Pi Picos mit ihren je zwei I²C-Bussen fungierten als Datensammler. Per RTC gesteuert erfolgte dabei die Datenerfassung fast gleichzeitig. Die Daten landeten auf MicroSD-Karten und wurden später zusammengeführt. Ein Datenlogger [2] stellt die notwendige Maschinerie bereit. Allerdings musste der Autor für einige Sensoren die Ausleseroutinen erstellen, was dank Beispielen im Netz schnell gelang. Für die Berechnungen kam Pandas [3] und für die Darstellung Matplotlib [4] zum Einsatz.

Die Messungen fanden im Innenbereich statt, fernab von Wärmequellen oder Zugluft. Zudem haben wir die Sensoren in den Kühlschrank und in den Ofen gestellt. Diese Phasen lassen sich in der Auswertung deutlich identifizieren. Als Notiz am Rande: Der Ofen war auf seine niedrigste Temperatur von 50 Grad Celsius eingestellt. Wie die Grafiken zeigen, hat sein Thermostat jedoch zu spät die Heizung abgeregelt, was die Sensorhalter aus Abbildung 1 etwas in Mitleidenschaft zog.