Bewegung,
Erfassung, Norm!

SensNorm-Präsident Olaf Riebenstein zur neuen standardisierten Messmethode für die PIR-Sensorik

Lange Zeit nutzte jeder Hersteller von Präsenz- und Bewegungsmeldern eine eigene Methode, um die Erfassungsreichweiten seiner PIR-Sensorik zu ermitteln. Mit der sensNORM hat eine Vereinigung der führenden Hersteller nun die Grundlage für eine einheitliche Vorgehensweise geschaffen und die parallel entstandene IEC 63180 zugleich maßgeblich beeinflusst. Olaf Riebenstein, Präsident von sensNORM und ESYLUX-Führungskraft, über Hintergründe und Inhalte.

Olaf Riebenstein leitet bei ESYLUX die Abteilungen Serienbetreuung und Technische Redaktion und ist seit seinem Firmeneintritt vor über 16 Jahren in der Normungsarbeit auf nationaler und internationaler Ebene tätig. Bei sensNORM wurde er vor 3 Jahren Präsident, war von Beginn an Vorstandsmitglied und parallel aktiv an der Gestaltung der IEC 63180 beteiligt. Die Ursprünge des Meisters für Informations- und Telekommunikationelektronik liegen in der Sicherheitstechnik.

Herr Riebenstein, sind Normen nicht eigentlich langweilig?

Es gibt sicherlich Menschen, die Normen als langweilig bezeichnen und als trocken empfinden und Probleme haben, die Texte zu verstehen. Aber es gibt natürlich auch viele Menschen, die in solchen Dingen aufgehen. Dazu gehören diejenigen, die in den Normungsgremien arbeiten. Die lieben das. Dass sie genau gucken, wie sie formulieren. Wichtig dabei ist ja, dass man so formuliert, dass es möglichst eindeutig beschrieben ist und keine Rückfragen erzeugt. Das ist eine ziemlich spannende Angelegenheit. Und deswegen ist für mich eine Norm auch gar nicht langweilig. Ich habe Spaß daran.

Vor einigen Jahren haben sich die führenden Hersteller von Präsenz- und Bewegungsmeldern zusammengefunden und nun mit der sensNORM eine lang erwartete einheitliche Mess- und Testmethodik für die Geräte definiert.
Wie war die Zusammenarbeit?

Also, zunächst einmal ist es natürlich ein sonderbares Gefühl, wenn man mit seinen Marktbegleitern plötzlich an einem runden Tisch sitzt und sich dann auch persönlich etwas besser kennenlernt. Dann beschnuppern sich natürlich erstmal alle. Man kommt dann so im Laufe der Zeit zueinander und findet die gemeinsamen Ziele. Und schließlich haben wir uns so gut zusammengerauft, dass wir heute alle sehr konstruktiv arbeiten und unsere Ziele bislang auch sehr gut erreicht haben.

Im Fokus der sensNORM steht die Bewegungserfassung mithilfe der Passiv-Infrarot-Technologie, kurz PIR, der mit Abstand am häufigsten eingesetzten Technik. Was sind deren Besonderheiten?

Die PIR-Technik nutzt piezoelektrische Halbleiterkristalle. Diese nehmen Temperaturveränderungen in ihrer Umgebung wahr und reagieren dadurch auf die Körperwärme von Menschen, die sich bewegen. Ein charakteristisches Merkmal von Präsenz- oder Bewegungsmeldern mit PIR-Technik ist außerdem ihre Linse. Sie bündelt die Infrarotstrahlen von Menschen, die sich im Erfassungsbereich bewegen, auf die hinter ihr liegende Sensorik. Von außen betrachtet ähnelt die Linsenstruktur den Waben eines Bienenstocks. Diese Waben teilen den Erfassungsbereich eines Melders in mehrere Sektoren auf.

Wie wird eine Bewegung dann genau erfasst?

Eine Bewegung wird erst erfasst, wenn sie die Grenze zweier solcher Sektoren überschreitet und sich dadurch ein Wärmeunterschied ergibt. Durch die Brennweite der Linse erweitern sich die Sektoren mit zunehmender Entfernung vom Melder. In größerer Entfernung bedarf es deshalb auch einer größeren Bewegung, um eine Sektorengrenze zu überschreiten. Aus diesem Grund wird der Erfassungsbereich für eine bedarfsgerechte Planung in unterschiedliche Abschnitte unterteilt. Im äußeren Bereich erfasst der Melder nur tangentiale Gehbewegungen zuverlässig. Also solche, die quer zu ihm verlaufen. Weiter innen schließt dann ein Bereich an, in dem der Melder auch radiale Gehbewegungen detektiert, die frontal auf ihn zulaufen.

Im METAS, dem metrologischen Institut der Schweiz, befindet sich heute das erste unabhängige Testlabor, in dem Hersteller nun ihre Geräte nach Maßgabe der sensNorm prüfen lassen können. Vielleicht beschreiben Sie einmal Aufbau und Ablauf der dortigen Messmethodik, um die Inhalte der Norm möglichst anschaulich zu machen.

Die sensNORM hat eine Messmethode definiert und festgelegt, die vollautomatisch läuft. Um eine natürliche Person in dem Test zu simulieren, haben wir einen Test-Dummy definiert. Der hat Beine, einen Körper und einen Kopf. Die einzelnen Maße sind in der Norm exakt angegeben.

Aus welchem Material besteht er?

Aus Aluminium. Das ist von außen beschichtet mit einer schwarzen Farbe. Und innen an diesen Aluminiumplatten sind verschiedene Heizplatten befestigt. Über die Elektronik, über Temperaturfühler wird dann die Temperatur des Dummys eingestellt und auch geregelt, so dass sie konstant bleibt während der Messung. Sie muss konstant über der Temperatur des Testraums liegen. Die Differenz in Kelvin ist genau festgelegt und entspricht der durchschnittlichen Differenz in der Praxis.  

Und was tut der Dummy während der Messung?

Im Testraum sind zwei Dummys gleicher Größe auf zwei unterschiedlichen Laufschienen montiert. Der zu testende Melder wird auf einer drehbaren Plattform befestigt. Die Messung beginnt mit der Ermittlung des äußeren Bereichs, also der tangentialen Bewegung in 90° zum Melder-Radius. Der erste Dummy bewegt sich dafür auf seiner Laufschiene von rechts nach links quer zu dem Bewegungsmelder und zurück. Die Geschwindigkeit und die Beschleunigung und Entschleunigung sind festgelegt. Wenn der Melder am Anfang noch keine Auslösung hat, wird die Messentfernung zwischen Dummy und Melder schrittweise verkürzt. Wenn es dann eine Detektion gibt, wird diese Gehbewegung wiederholt.

Die Voraussetzung für ein positives Ergebnis ist, dass der Dummy sich insgesamt dreimal in die eine und dreimal in die andere Richtung bewegt, und bei jeder Richtung mindestens zweimal eine Auslösung stattfindet. Erst dann können wir diese Reichweite als ausgelöst bezeichnen. Bei der radialen Bewegung ist das ähnlich. Nur dass dann die Richtung anders ist. Da bewegt sich der zweite Dummy auf seiner Laufschiene so lang auf den Melder zu, bis dieser eine Auslösung hat. Das Ganze macht er dreimal. Anschließend wird aus den drei Werten ein Mittelwert gebildet und als Messergebnis dokumentiert.

Und weshalb wird der Präsenz- oder Bewegungsmelder auf eine Drehplattform montiert?

Je nachdem, welche Linsengeometrie man für die PIR-Sensoren verwendet, kann die Reichweite in den einzelnen Blickrichtungen eines Melders zum Teil unterschiedlich sein. Bei der tangentialen Bewegung weichen die Reichweiten nicht so sehr stark voneinander ab, bei der radialen Bewegung kommt es dagegen relativ häufig vor. Deshalb drehen wir den Melder nach jeder Messung um 10 Grad, sowohl bei der tangentialen als auch bei der radialen Bewegung. Das ist die einfachste Umsetzung.

Im Testlabor des METAS, dem metrologischen Institut der Schweiz, simulieren zwei Dummys und ein Testarm größere und kleinere menschliche Bewegungen. Der zu prüfende Melder wird auf eine drehbare Plattfom montiert. Der Raum ist für konstante Umgebungsbedingungen optimiert – insbesondere hinsichtlich der Temperatur.

1. Deckenpräsenzmelder mit 360°-Erfassungsbereich
2. Testdummy für die tangentiale Messung
3. Testdummy für die radiale Messung
4. Testarm für die Präsenzmessung
 

Für eine bedarfsgerechte Planung wird der Erfassungsbereich von Präsenz- und Bewegungsmeldern in mehrere Abschnitte unterteilt. Im äußeren Bereich (A) erfasst der Melder tangentiale Gehbewegungen, die quer zu ihm verlaufen. Weiter innen detektiert er auch radiale Gehbewegungen, die frontal auf ihn zukommen (B). Präsenzmelder erfassen in ihrem Präsenzbereich (C) darüber hinaus auch Kleinstbewegungen.

Die sensNORM beschreibt sehr genau die Anforderungen an die Umgebungsbedingungen. Zum Beispiel soll der Raum eine ausreichende Größe haben.

Da geht es um die Entfernungen. Wenn der Testraum sehr gut konzipiert und umgesetzt wurde wie im METAS, ist die Größe irrelevant. Die Problematik tritt nur auf, wenn man einen Bewegungsmelder hat, der zum Beispiel 40 Meter Reichweite im Durchmesser hat. Dafür bräuchte ich einen Raum, der mindestens 20 Meter lang ist. Für Räume, die das nicht hergeben, haben wir den Test-Dummy aber extra skaliert und ihn heruntergerechnet. Dadurch haben wir einen 50%-Dummy und einen 20%-Dummy definiert. Mit denen lassen sich dann größere Reichweiten in Räumen abbilden, die eigentlich zu klein sind.

Für die Umgebungstemperatur macht die sensNORM ebenfalls genaue Vorgaben.

Die Differenz zwischen der Temperatur des Dummys und seiner Umgebung muss möglichst realistisch und dabei konstant sein, damit wir auch wiederholbare Ergebnisse haben. Ich könnte theoretisch auch eine Sporthalle nehmen. Sie muss nur gut temperiert und frei von Zugluft sein. Es dürfen keine Einflüsse von außen das Messergebnis verfälschen. Wenn ich mit externen Störquellen Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich in den Messraum einbringe, habe ich keine ordentlichen Messergebnisse. Auch starker Tageslichteinfall und direkte Sonneneinstrahlung sind deshalb zu vermeiden. Die Wände betrifft das ebenfalls.

Inwiefern?

Nehmen wir mal rein theoretisch an, Sie haben eine Wand, deren Oberflächentemperatur nicht homogen ist, weil vielleicht alle 3 Meter ein Heizkörper an der Wand montiert ist. Wenn der Dummy da jetzt durchläuft, sieht der Melder ja dessen Temperatur im Vergleich zu dem, was sich hinter dem Dummy befindet. Wenn sich diese Differenz ändert, nur weil die Wände keine homogene Temperatur haben, beeinflusst das die Messergebnisse erheblich.

So sehen die Rohdaten nach der Messung aus Hier am Beispiel eines Präsenzmelders mit 32 Metern tangentialer und 11 Metern radialer Erfassungsreichweite.

Neben dem Ganzkörper-Dummy gibt es im Labor auch einen motorisierten Testarm. Was ist dessen Aufgabe?

Dieser ist speziell für die Präsenzmessung konzipiert. Anders als bei Bewegungsmeldern kommt bei Präsenzmeldern ja zum Tangential- und Radialbereich noch der ganz innenliegende Präsenzbereich hinzu. Dort erfassen sie selbst kleinste Bewegungen. Der Testarm simuliert den Unterarm einer Person, die am Schreibtisch sitzt. Normalerweise liegt er waagerecht und zeigt in die Richtung des Melders. Dann bewegt er sich einmal senkrecht um 90° nach oben, um danach sofort wieder zurückzugehen in die waagerechte Ausgangsposition. Auch hier erfolgen drei Abläufe, anschließend bilden wir den Mittelwert. Nach jeder Einzelmessung wird der Testarm innerhalb eines festgelegten Rasters im vermuteten Präsenzbereich des jeweiligen Melders verschoben.

Nach Ende aller Messungen werden die Ergebnisse auch grafisch aufbereitet. In der späteren Kommunikation mit den Kunden haben diese immer sehr gleichmäßige Formen. Angesichts der richtungsabhängigen Messabweichungen, die sie vorher erwähnt haben, entspricht das aber wohl nicht der Realität.

Die runden Erfassungsbereiche, die man im Bereich der Planung und im Bereich der Kommunikation sieht, sind Messergebnisse, die nach einer gewissen Regel gerundet worden sind. Wie gesagt, können die Messergebnisse in der Regel teilweise recht stark voneinander abweichen. Mit solchen Rohdaten kann der Planer aber nichts anfangen. Deswegen haben wir eine Regel geschaffen, durch die diese Rohdaten idealisiert dargestellt werden. Diese Darstellung erfolgt dann in geometrischen Grundformen wie zum Beispiel mit einem Kreis.

Wie lautet die Regel?

Nur 15 % der Auslöseergebnisse dürfen kürzer sein als die angegebene idealisierte Linie. Wenn ich bei einem Deckenmelder mit einem Erfassungsbereich von 360° einen Kreis habe, den ich bei der tangentialen und bei der radialen Messung alle 10 Grad und dadurch 36mal gemessen habe, dürfen also nur 15 % dieser 36 Messungen innerhalb des idealisierten Kreises liegen. Beim Präsenzbereich ist es wegen des Rasters nur ein wenig anders dargestellt. Dort dürfen maximal 15 % aller Messergebnisse innerhalb des idealisierten Präsenzbereichs keine Auslösung zeigen.

Für die Messung des Präsenzbereichs wird der Testarm innerhalb eines Rasters bewegt. Der gelbe Kreis zeigt die idealisierte Linie, die später eine bedarfsgerechte Planung ermöglicht. Maximal 15 % der Messergebnisse innerhalb des Kreises dürfen keine Auslösung zeigen.

Parallel zur sensNORM ist auch die internationale IEC 63180 als Norm zur Messung der PIR-Sensorik entstanden. Das überrascht und irritiert zunächst etwas. Gibt es da einen Zusammenhang?

Absolut. Die sensNORM-Gruppe hat von Beginn an die Formulierungen der IEC-Norm mitgeprägt und wesentlich beeinflusst. Zwei Personen aus der sensNORM-Gruppe waren dafür auch in der Arbeitsgruppe der IEC-Norm und haben dort mitgearbeitet.

Worin unterscheiden sich die beiden Normen?

Der allergrößte Unterschied ist, dass die IEC einen Gehtest mit einer richtigen Person als Alternative zum automatisierten Test erlaubt, die sensNORM dagegen nicht. Es gibt Leute, die ein bisschen schneller gehen, und Leute, die ein bisschen langsamer gehen. Dadurch habe ich natürlich andere Messergebnisse. Darum sind wir von der sensNORM der Meinung, dass man keine belastbaren Messergebnisse haben kann, wenn man einen personellen Gehtest macht. Die sensNORM misst nur automatisch. So ist es egal, wer welchen Melder wann misst. Es sind immer reproduzierbare Ergebnisse.

Und warum unterscheidet sich die IEC hier?

Die Fassung der IEC ist der kleinste gemeinsame Nenner, den wir in dem Gremium dort erreichen konnten. Wir von der sensNORM haben zwar höhere Anforderungen gesteckt, konnten diese in dem weltweit tätigen Forum aber nicht immer durchsetzen. In solchen Normungsgremien sind zwar fast nur Hersteller, aber es gibt dort auch den Gedanken, dass man diese Normen in Ländern anwenden muss, die finanziell nicht so gut dastehen wie die größten Industrieländer. Eine automatische Messeinrichtung, wie wir sie definiert haben, kann sehr teuer sein. Und diese Norm sollte auch Anwendung in Ländern mit weniger Mitteln finden. Denen wollte man sagen können: Ok, es gibt hier eine Norm, die kannst Du anwenden, und es reicht, wenn Du für die Messung zu Fuß gehst. Du musst Dir eben Mühe geben, dass Du konstant gehst.

Gibt es noch weitere Unterschiede?

Die sensNORM hat in wichtigen Punkten mehr Wert gelegt auf die Verlässlichkeit und den Praxisbezug der Werte, während es der IEC wichtiger war, dass die Messungen möglichst kostengünstig sind und man möglichst wenig messen muss. Bei der tangentialen Erfassung haben wir uns dafür entschieden, dass von drei Hin- und Herbewegungen des Dummys mindestens zwei eine Detektion auslösen müssen. Dadurch haben wir einen Bereich vermessen, von dem man sagen kann, dass die Wahrscheinlichkeit, dort noch detektiert zu werden, sehr, sehr hoch ist. Es kann aber sein, dass es auch in größerer Entfernung noch Auslösungen gibt.

In der IEC reicht dagegen eine Auslösung und das bei insgesamt nur zwei Hin- und Herbewegungen. Da herrscht eine andere Denkweise. Es wird so gemessen, dass man sozusagen die größtmögliche Entfernung ermittelt. Das ist in unseren Augen wenig praxisrelevant. Du bekommst bei der sensNORM zwar ein Ergebnis mit kürzerer Reichweite. Dafür ist dieses Ergebnis aber erheblich belastbarer. Bei der IEC erhältst Du eine größere Reichweite, aber Du bist dir gar nicht sicher, ob der Melder dich auch wirklich gut erwischt, wenn Du noch dichter an ihm dran bist. Es kann also auch sein, dass er dich da nicht erwischt.

Deswegen ist unsere Messmethode praxisgerechter und auch besser anwendbar für den Planer. Dem Planer nützt es nichts zu wissen, dass der Melder im besten Fall 40 Meter weit guckt, wenn er einen viel kleineren Raum damit abdecken und sicher sein will, dass er in 20 Metern eine Auslösung hat. Was interessiert mich, wie weit der gucken kann? Ich will, dass es da sicher funktioniert, wo ich es brauche.

Die Messeinrichtung des METAS ist so programmiert, dass man dort beide Testmethoden anwenden kann. Ihre Antwort auf die Frage, ob ich als Hersteller meine Sensorik nach sensNORM oder IEC-Norm testen lassen soll, dürfte aber eindeutig ausfallen.

ESYLUX steht hinter der sensNORM und lässt seine Melder natürlich nach ihr messen. Vor den Messungen gibt es auch ein sogenanntes Pre-Conditioning. Das bedeutet, dass der Melder, bevor er überhaupt vermessen wird, darauf geprüft wird, ob er bei extremen Temperaturbereichen Fehlauslösungen macht. Diese Prüfung ist bei der sensNORM erheblich schwieriger zu bestehen als nach den einfachen Anforderungen der IEC.

Bei der sensNORM werden die Melder zweimal geprüft. Einmal bei der vom Hersteller angegebenen Mindesttemperatur und einmal bei der maximal möglichen Temperatur. Der Melder darf innerhalb von 24 Stunden nicht fehlauslösen. Bei der IEC prüft man dagegen nur eine Temperatur und zwar die normale Raumtemperatur. Und es sind nur 12 Stunden. Die Qualitätsanforderungen sind dort also viel einfacher zu erreichen. Deshalb lässt der gute Hersteller seine Melder nach sensNORM prüfen.

Wenn Sie heute einmal zurückblicken: Was fanden Sie an Ihrer Mitarbeit an den Normen am interessantesten?

Das Interessanteste war das Arbeiten in der internationalen Normungsgruppe, weil ich dort sehr viele interessante Menschen kennengelernt habe, die auch andere Denkweisen haben bezüglich der Messmethoden. Ich finde es sehr spannend, auf internationaler Ebene Menschen und ihre unterschiedlichen Sicht- und Denkweisen kennenzulernen, dabei in andere Länder zu reisen und schließlich im Team trotz aller Unterschiedlichkeiten ein gemeinsames Ergebnis zu erreichen.

Herr Riebenstein, vielen Dank für das interessante Gespräch!

„Der Ort, an dem die Schweiz am genausten ist“ – in dieser Verantwortung sieht sich das METAS selbst. Seine insgesamt 21 Fachbereiche reichen von Akustik und Vibration über Gleichstrom und Niederfrequenz bis hin zu Radiometrie und Photometrie.