Bewegungsmelder

Ein Bewegungsmelder ist ein elektronischer Sensor, der Bewegungen in seiner näheren Umgebung erkennt und dadurch als elektrischer Schalter arbeiten kann. Hauptsächlich wird er zum Einschalten einer Beleuchtung oder zum Auslösen eines Alarms eingesetzt.

Ein Bewegungsmelder kann entweder aktiv mit elektromagnetischen Wellen (Dopplerradar), mit Ultraschall (Ultraschall-Bewegungsmelder) oder passiv anhand der Infrarotstrahlung der Umgebung arbeiten; es gibt auch Kombinationen davon.

Der PIR-Sensor (englisch passive infrared) ist der am häufigsten eingesetzte Typ von Bewegungsmeldern. Er wird im Folgenden beschrieben. Er reagiert optimal auf Winkeländerungen, wenn also eine Person am Sensor vorbeigeht. Im Gegensatz dazu reagiert ein Dopplerradar optimal, wenn sich der Abstand zum Sensor ändert.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

Erfassungsbereich: rot=innere Überwachungszone, orange=mittlere Ü., gelb=äußere Ü.

Der PIR-Sensor reagiert unter Ausnutzung der Pyroelektrizität seiner Empfängerfläche auf eine Temperaturänderung, bewirkt durch eine Strahlungsflussänderung (hauptsächlich durch Wärmestrahlung im mittleren Infrarot; Wellenlänge zirka 10 µm) von Menschen, Tieren und Kraftfahrzeugen in seiner näheren Umgebung. Er reagiert nicht auf statische Wärmeunterschiede, die auf natürliche Weise hervorgerufen werden, wie zum Beispiel durch Sonneneinstrahlung – er kann nur sich ändernde Signale wahrnehmen, beispielsweise wenn ein Mensch in den Detektionsbereich des Sensors eintritt.

Vor dem eigentlichen Sensor liegt - in Brennweitenabstand - eine kugelige oder zylindrisch gewölbte Kuppel aus kleinen Sammellinsen aus visuell weisslich-trübem Kunststoff, der jedoch im Infraroten klar durchsichtig ist. Diese Vielfachlinse sammelt infrarotes Licht aus einer entsprechenden Anzahl von diskreten Richtungssektoren auf die kleine Sensorfläche. Sichtbares Licht wird mehr zurückgestreut. Der Sensor sieht je nach Linsenanordnung die Umgebung wie durch gespreizte Finger, (senkrechte) Jalousieschlitze oder den Raster eines Lochblechs. Bewegt sich nun ein Gegenstand oder Lebewesen mit einer Oberflächentemperatur genügend höher (selten: tiefer) als der Hintergrund quer durch diese Fächer aus Sichtsektoren, und ist die warme im Infrarot daher hellere Fläche günstigerweise etwa so breit wie ein einzelner Sichtsektor dort, so spürt der Sensor die zeitliche Abfolge warm-kalt-warm. Denn die Wärmequelle ist mal sichtbar, verschwindet dann im Sichtschatten eines "Fingers" und taucht im Sehschlitz des nächsten Fingerspalts wieder auf. Die - durch Wärmekapazität etwas verzögerte - Temperaturänderung am Sensor bewirkt ein elektrisches Signal, das verarbeitet und verstärkt wird, um über ein Relais etwa Licht einzuschalten.

Neben Querbewegung zu den Sichtsektorstreifen wird auch das erstmalige Eintreten oder aber das ausreichend rasche Näherkommen (also "grösser Werden") in einen solchen Streifen detektiert. Bewegungsmelder sind meist in der Empfindlichkeit einstellbar und mit einem ebenfalls justierbaren Dämmerungsschalter gekoppelt. Durch Vorsatzblenden kann ein Teil der Sichtsektoren abgedeckt und das Sensormodul eventuell auch verschwenkt werden. Ein Sensor, der selbst im Leuchtenschatten liegt, wird das Ausgehen dieser Leuchte per Zeitschaltung kaum unerwünscht als Auslösesignal werten. Radfahrer mit exponierter Haut werden von Bewegungsmeldern oft weiter gesehen als geschlossene Pkw mit Wärmeschutzglas und luftgekühlter Karosserie. Abgekühlte, gut isolierende Winterkleidung mit Kapuze und gesenktes Gesicht kann auch die Körperwärme eines Menschen verstecken.

PIR-Sensoren empfangen ausschließlich von Objekten ausgesandte Strahlen und senden selbst keine Strahlung aus, was durch die Benennung Passiv-Infrarot-Sensor zum Ausdruck kommt. PIR-Sensoren reagieren schlecht, wenn sich ein Objekt auf sie zu oder von ihnen weg bewegt. Dies liegt an deren Funktionsprinzip, da die Bewegungserkennung aufgrund eines Temperaturwechsels auf der Sensorfläche erfolgt und Bewegungen quer zum Erfassungsbereich aufgrund des vorwiegend quer angeordneten Linsenbereichs besser erkannt werden können.

Bewegungsmelder können über Leitungsverbindungen (direkt oder über ein Bussystem, z. B. EIB) oder durch Ausrüstung mit einem Funkmodul miteinander vernetzt werden. Wenn einer der vernetzten Bewegungsmelder reagiert, schalten alle angeschlossenen Melder ihre Verbraucher (Beleuchtung, Alarm) ein.

Verwendung als Lichtschalter

Ein Infrarot-Bewegungsmelder hat in der Regel einen eingebauten Dämmerungsschalter, der dafür sorgt, dass die Beleuchtung nur bei Dunkelheit vom eigentlichen Bewegungsmelder eingeschaltet werden kann. Bewegt sich eine Wärmequelle vor dem Melder, so schaltet er die Beleuchtung für eine einstellbare Zeitspanne ein und nach Ablauf der eingestellten Leuchtzeit wieder aus. Die meisten Bewegungsmelder haben zwei Einsteller (Potentiometer):

  1. für die Einschaltdauer: legt fest, wie lange der Verbraucher eingeschaltet bleiben soll
  2. für die Umgebungshelligkeit (Hell-Dunkel-Grenze): legt fest, ab welcher Dunkelheitsschwelle der Melder scharf sein soll
Anschlussbeispiel

Bei den meisten Bewegungsmeldern beginnt der Zähler für die Einschaltdauer zu laufen, wenn die letzte Bewegung erkannt wurde. Wenn der Melder danach eine neue Bewegung erkennt, stellt er den Zähler wieder auf Null. Dies gewährleistet, dass der Verbraucher (z. B. Beleuchtung) nicht ausgeschaltet wird, wenn sich eine Person für längere Zeit im Erfassungsbereich aufhält.

In Deutschland gibt die VDE 0100-410:2007-06 vor, dass der PE anders als im Bild bis zum Betriebsmittel (Melder) mitzuführen ist.

Verwendung als Präsenzmelder

Ein Präsenzmelder soll auch die Anwesenheit von Personen bei sitzenden und anderen ruhigen Tätigkeiten erkennen. Hierzu werden hochwertigere Melder verwendet, die bereits auf kleinste Bewegungen reagieren. Zudem sollen diese Melder empfindlich auf Veränderungen der Umgebungshelligkeit reagieren, um beim Unterschreiten eines bestimmten Schwellwerts (z.B. bei Beginn der Dämmerung) zuverlässig die künstliche Beleuchtung einzuschalten.

Präsenzmelder verfügen meist über einen zweiten Schaltkanal, welcher nur auf Bewegungen reagiert, um beispielsweise Lüftung und Heizung unabhängig von der Helligkeit zu steuern.

Um den Erfassungsbereich zu vergrößern und sicherzustellen, daß sich die Personen im empfindlicheren sogenannten "inneren Erfassungsbereich" befinden, werden Präsenzmelder idealerweise an die Decke montiert. In größeren Räumen sollten sie gruppenweise vernetzt werden, um zu verhindern, daß sich die Beleuchtung lokal ausschaltet, wenn sich in einem Raumteil vorübergehend keine Personen aufhalten.

Mit jeder erkannten Bewegung beginnt bei einem Präsenzmelder die Messung der voreingestellten Zeit bis zur Abschaltung wieder von vorn, während einfachere Bewegungsmelder oft nach Ablauf der eingestellten Zeit die Beleuchtung zunächst ausschalten, bevor sie wieder auf Bewegungen reagieren. Aufgrund dieser Eigenschaft sollten Präsenzmelder in der Lage sein, trotz eingeschalteten Kunstlichts die Zunahme des Tageslichtanteils zu erkennen, um die Beleuchtung auszuschalten, sobald die natürliche Belichtung die Räume ausreichend erhellt. [1]

Verwendung in Einbruchmeldeanlagen

Moderner VdS-zugelassener Bewegungsmelder mit Abdecküberwachung.

Die für Einbruchmeldeanlagen verwendeten Bewegungsmelder unterscheiden sich von den Licht-Bewegungsmeldern. Bewegungsmelder für Einbruchmeldeanlagen verwenden keinen Dämmerungssensor, da eine Bewegung immer gemeldet werden soll, unabhängig von der Umgebungshelligkeit. Dennoch sind häufig in Bewegungsmeldern für Bussysteme (zum Beispiel EIB) Dämmerungssensoren eingebaut, da der Bewegungsmelder bei nicht aktivierter Einbruchmeldeanlage andere Aufgaben erfüllen kann, zum Beispiel als Präsenzmelder. Ist die Einbruchmeldeanlage eingeschaltet (scharf), so löst eine Bewegung im Erfassungsbereich des Melders einen Alarm aus. Der Einsatz von Licht-Bewegungsmeldern als Auslöser von Einbruchmeldeanlagen ist nicht sinnvoll, da viele Bewegungsmelder nach Ausfall und Wiederkehr der Versorgungsspannung den angeschlossenen Verbraucher einschalten und in diesem Fall einen Falschalarm auslösen würden.

Mindestens erforderliche Anschlüsse für Einbruchmeldeanlagen-Bewegungsmelder

Sabotagekontakt
Öffnen des Gehäuses wird an die Einbruchmeldezentrale gemeldet
Alarmkontakt
Auslösung des Infrarot-Sensors wird an die Einbruchmeldezentrale gemeldet
Versorgungsspannung
meist 12 V oder, zur Notstromversorgung durch einen Bleiakkumulator, auch 24 V

Zusätzlich erforderliche Anschlüsse für VdS-zertifizierte Anlagen

Gehtestfunktion
Alarmspeicher
wenn mehrere Bewegungsmelder in einer Meldergruppe geschaltet sind, wird der Bewegungsmelder gespeichert, der als erstes auslöste

Manche Modelle verfügen über zwei getrennte PIR-Sensoren. Ein Alarm wird nur ausgelöst, wenn beide gleichzeitig reagieren. Dadurch wird das Risiko eines Falschalarms verringert. Einige Modelle kombinieren einen PIR-Sensor mit einem Mikrowellen-Sensor (Radar-Bewegungsmelder) oder einem Ultraschall-Bewegungsmelder. Diese Kombinationen werden meist als Dualmelder bezeichnet.

Bei den neueren Modellen ist eine Abdecküberwachung integriert - sobald der Melder durch einen Gegenstand oder Sprühsubstanzen im unscharfen Zustand der Alarmanlage „blind“ gemacht wird, wird an der Einbruchmeldezentrale eine Meldung angezeigt.

Tierresistente Bewegungsmelder gibt es nur für Einbruchmeldeanlagen. Das Auslöseverhalten dieser Bewegungsmelder ist träger als bei normalen Bewegungsmeldern. Die Montage-Richtlinien für tierresistente Bewegungsmelder müssen genau befolgt werden, um einerseits Falschalarme zu vermeiden, andererseits die Erfassungsempfindlichkeit sicherzustellen. Momentan besitzt kein tierresistenter Bewegungsmelder eine VdS-Zulassung.

Verwendung an Lichtsignalanlagen

An Lichtsignalanlagen und auf Autobahnen detektieren PIR-Sensoren das Verkehrsaufkommen zur Steuerung der Lichtsignalanlagen, zur Auslösung einer Stauwarnung oder Ausgabe einer Richtgeschwindigkeit. Diese Sensoren reagieren auf die Wärmestrahlung, die durch die Wärme der Motoren der Fahrzeuge durch die Karosserie abgegeben wird. PIR-Sensoren sind eine Alternative zu Induktionsschleifen und erfordern im Gegensatz zu jenen keinen Eingriff in die Straßendecke – sie sind oft an Ampelmasten oder Brücken angebracht.

Leistungsaufnahme

Die Leistungsaufnahme eines PIR-Bewegungsmelders für den Betrieb des Sensors liegt zwischen 0,5 und 8 W [2]. Das heißt, ob nun etwas eingeschaltet wird oder nicht, es wird ständig Energie verbraucht. Beispielsweise entsprechen 5 W einer Energiemenge von 43,8 kWh/Jahr. Bei einem Strompreis von 0,2 €/kWh verursacht der Bewegungsmelder also Kosten in Höhe von 8,76 €/Jahr. Die gleiche Energiemenge verbraucht eine 60 W Glühlampe, wenn sie 730 Stunden also ca. 2 Stunden pro Tag in Betrieb ist, oder eine etwa gleich helle 11-Watt-Kompaktleuchtstofflampe, wenn sie 3980 Stunden, also knapp 11 Stunden pro Tag in Betrieb ist.

Einzelnachweise

  1. Planungsunterlagen Bewegungs- und Präsenzmelder, Esylux
  2. Bewegungsmelder helfen Strom zu sparen, abgerufen am 19. Januar 2009

Literatur

  • Adam Merschbacher: Sicherheitsanalyse für Haushalte. VdS Schadenverhütung Verlag, Köln 2002, ISBN 3-936050-03-1
  • Adam Merschbacher: Sicherheitsanalyse für Gewerbebetriebe. VdS Schadenverhütung Verlag, Köln 2003, ISBN 3-936050-04-X
  • Hanno Schaumburg: Sensoren. Teubner, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-06125-2, (Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik 3).

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