Security

PIR-Melder – Funktion, Prüfung, Einsatzgrenzen

Abb. 1: Mithilfe von Infrarotfotos lässt sich ungefähr darstellen, wie ein PIR-Melder „die Welt sieht“

Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder (kurz: PIR-Melder) bieten für etliche Herausforderungen der Einbruchmeldetechnik eine passgenaue Lösung. Die technischen Randbedingungen des Einsatzes sowie die physikalischen Wirkprinzipien von PIR-Meldern müssen beachtet werden. Bei bestimmten Gegebenheiten sollte der Außenhautüberwachung gegenüber der fallen- oder schwerpunktmäßigen Überwachung mit PIR-Meldern Vorrang eingeräumt werden.

Von Paulus Vorderwülbecke, VdS

Wie PIR-Melder funktionieren, wird vielen Lesern bekannt sein. Wenn sich jedoch ein Täter damit auseinandersetzt, wie er Einbruchmeldetechnik (hier: den PIR-Melder) außer Gefecht setzen oder „überlisten“ kann, wird er sich zunächst die Wirkprinzipien genau vor Augen führen – so geht auch der vorliegende Artikel vor. In manchen Fällen ergibt sich für einen Täter die Möglichkeit, die Spielräume der Wirkprinzipien bestimmter Melder für eigene Zwecke auszunutzen. Darüber hinaus können Planungsfehler oder Planungslücken vom Täter ausgenutzt werden.

Planungsfehler oder -lücken können sich ergeben, wenn von den VdS-Richtlinien 2311 abgewichen wird. Besonders „innovative“ Täter könnten jedoch auch funktionale Schwächen von Überwachungstechniken ausnutzen, von denen bislang keine nennenswerte Gefährdung bekannt war. Sorgfältige Planung bedeutet daher, die VdS 2311 nicht als Maximallösung anzusehen, sondern vielmehr als Grundanforderung. Der Planer sollte stets versuchen, sich in den potenziellen Täter hineinzuversetzen und über die VdS 2311 hinauszudenken, wenn spezielle Bedingungen dies erfordern.

Funktionsweise eines PIR-Melders

Abb. 2: Zwei Konstruktionsprinzipien von PIR-Meldern: mit Fresnel-Linse (links) oder mit Spiegeloptik (rechts)

Schauen wir uns zunächst an, wie ein PIR-Melder arbeitet, um auf diesem Weg zur Frage zu gelangen, wie er (eventuell) überwunden werden kann.

Abbildung 2 zeigt das Grundprinzip eines PIR-Melders. Das für das menschliche Auge nicht sichtbare Infrarotlicht (Wärmestrahlung) wird mittels einer speziellen Optik auf einen Punkt gebündelt. Dabei kommt häufig eine Fresnel-Linse zum Einsatz (eine Bauform der Sammellinse), die das einfallende Licht auf den Sensor lenkt. Alternativ wird eine Spiegeloptik eingesetzt, bei der ein Hohlspiegel die einfallende Wärmestrahlung in einem bestimmten Winkel zurückwirft und gleichzeitig die Bündelung der Strahlen auf den Empfänger bewirkt.

Abb. 3: Schematische Darstellung der sog. Überwachungskeulen eines PIR-Melders

Auf welche Weise das Infrarotlicht auf dem Sensor gebündelt wird, ist dabei letztlich unerheblich. Denn in beiden Anwendungsfällen erfolgt das „Sehen“ der Wärmestrahlung durch den pyroelektrischen Sensor/ Empfänger. Dieses Bauteil erkennt hinreichend deutliche Änderungen der Wärmeeinwirkung und wandelt sie in elektrisch verwertbare Signale um. Aufgrund seiner Konstruktion verfügt der Melder über mehrere sogenannte Überwachungskeulen, -kegel oder -sektoren, die den Überwachungsraum abdecken (s. Abb. 3).

Beim genutzten pyroelektrischen Effekt hat das Maß der Temperaturänderung einen wesentlichen Anteil daran, wie hoch die generierte Ladungsverschiebung, also die auswertbare elektrische Spannung ist. Angenommen, dass sich die Temperatur des Einbrechers während der Tat kaum ändert, ist es erforderlich, dass er in die Überwachungszonen eintritt und sie wieder verlässt. Optimal wäre daher eine kreisförmige Bewegung des Ziels um den Melder als Mittelpunkt.

Aber auch die Bewegung „quer zum Melder“ (rechts in Abb. 3 entspräche das einer Bewegungsrichtung vom unteren zum oberen Bildrand) wird mit heutigen Meldern sicher erkannt. Am Ende ist es die Veränderung der auf den Melder auftreffenden Infrarotstrahlung, die als Auslösekriterium genutzt wird. Wer sich diese grundsätzliche Arbeitsweise des PIR-Melders vor Augen führt, kann mehr oder minder realistische „Überwindungschancen“ herausarbeiten.

Die vom Sensor erzeugte elektrische Spannung hängt von der Temperaturänderung unmittelbar am Sensor ab. „Delta T“, also die Änderung der Temperatur innerhalb eines Überwachungssektors des Sensors ist dann gering, wenn sich ein warmes Objekt (z. B. der Einbrecher) sehr langsam in das Sichtfeld hinein- und herausbewegt. Ein Überwindungsversuch ließe sich somit realisieren, wenn dieses Delta T entsprechend gering gehalten würde. Ein erfolgreicher, durchgängig im „Schneckentempo“ durchgeführter Einbruch ist in der Praxis aber kaum zu erwarten.

Das ist auch von Vorteil, denn das „Übersehen“ von sehr langsamen Temperaturänderungen ist durchaus gewollt. Wäre das nicht gegeben, würden PIR-Melder bereits durch Temperaturänderungen des Raumes, die im Tagesverlauf z. B. aufgrund von Sonnenstrahlung gegeben sein können, wiederholt ausgelöst.

Die Eigenschaft, dass lediglich eine relativ schnelle Temperaturänderung vom Melder erkannt wird, verdeutlicht, dass die Auswertung von Temperaturschwankungen nicht nach dem Prinzip Eins oder Null stattfindet. Der Melder sieht gewissermaßen unscharf.

Abb. 4: Drei Aspekte beeinflussen die Konstruktion und Einstellung eines PIR-Melders

Die Kunst ist es nun, den Melder so zu konstruieren bzw. zu montieren und einzustellen, dass er bewegte Personen mit hoher Wahrscheinlichkeit erkennt, aber auf sehr langsame Veränderungen nicht reagiert. Es gilt, die absolut sichere Meldung (Erkennen des Täters), die „zu scharfe“ Einstellung (Falschmeldung, z. B. durch Raumtemperaturänderung) und die „zu unscharfe“ Einstellung (Nichterkennen eines Täters) sinnvoll zusammenzuführen (s. Abb. 4).

Prüfung und Anerkennung von PIR-Meldern durch VdS

Grundvoraussetzung ist die Erfüllung hoher technischer Anforderungen, die im Rahmen des VdS-Anerkennungsprozesses überprüft werden. Unter anderem wird geprüft:

  • die ordnungsgemäße Reaktion auf Bewegungen
  • die Erkennung von Abdeckungsversuchen
  • die Erkennung und Meldung von Sabotageversuchen
  • die Belastbarkeit bei mechanischer Einwirkung
  • die Widerstandskraft gegen bestimmte Umweltbedingungen
  • die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
  • die Resistenz gegen Stromstöße

Nur wenn alle Prüfungen zufriedenstellend bestanden wurden, kann eine VdS-Anerkennung ausgesprochen werden.

Abb. 5: Vibrationstest

Im Folgenden werden einige Prüfungen beispielhaft beschrieben:

Damit etwa Sabotageversuche gemeldet werden können, muss eine Öffnung des Meldergehäuses sicher erkannt werden. Dazu kann z. B. ein leichtgängiger Federschalter eingesetzt werden, der im Ruhezustand von innen gegen die Melderhülle drückt und bei Zerstörung oder Öffnung der Hülle schaltet.

Die unerlaubte Wegnahme (Entfernen des Melders vom Untergrund), kann mithilfe desselben Schalters überwacht werden, etwa, wenn der Schalter an einer Sollbruchstelle montiert ist, die bei der gewaltsamen Entfernung des Melders zerstört wird. Akzeptiert werden muss bei einer solchen Lösung, dass sich nicht zwischen der Öffnung des Melders und dessen Wegnahme unterscheiden lässt.

Abb. 6: Eichenbalkentest

Mit einer Reihe von Belastungen wird schließlich ermittelt, ob Melder weder durch stumpfe Schläge noch durch permanente oder wiederkehrende Vibrationen ge- oder sogar zerstört werden.

Im Verlauf des Verfahrens erfolgen auch die Prüfung auf dem „großen Vibrationsprüfstand“ sowie der sogenannte Eichenbalkentest.

Auf dem Vibrationsprüfstand (vgl. dazu Abb. 5; der helle Probekörper auf der braunen Montagefläche sieht auf der großen Maschine etwas verloren aus) erfolgt eine Belastung mit verschiedenen Schwingungsmustern. Dazu wird die Schwungplatte der Maschine über elektromagnetische Bauteile in Bewegung versetzt.

Beim Eichenbalkentest (Abb. 6) geht es nicht um eine Dauerbelastung, sondern um die einmalige Übertragung eines Impulses auf den Melder. Ein definiertes Gewicht fällt aus vorgegebener Höhe ungebremst auf ein Holzelement. Genau gegenüber der Auftreffstelle ist der Probekörper montiert und erfährt somit eine kurze, aber heftige Belastung.

Problemfall „Tierimmunität“

Der häufig geäußerte Wunsch, dass ein Melder im scharfen Zustand bestimmte sich bewegende Objekte (zumeist Haustiere), die durchaus einen deutlichen Temperaturunterschied zum Raum und eine ausreichende Bewegung aufweisen, nicht melden soll, ist problematisch. Der PIR-Melder kann – und muss – gewissermaßen „unscharf“ sehen.

Aber was genau soll ein Melder „mit Absicht“ nicht erkennen? Kleine Bewegungen oder auch langsame Temperaturänderungen sollen, wie erwähnt, keine Auslösung bewirken. Lassen sich unter Umständen auch Haustiere „ausblenden“?

Wenn ein Hersteller im Zusammenhang mit PIR-Meldern von „Tierimmunität“ spricht, muss die Sache schon sehr kritisch hinterfragt werden. Ein warmblütiges Tier, das größer ist als eine Ratte, wird vom Bewegungsmelder nur dann nicht erkannt, wenn es sich außerhalb des Überwachungsbereichs bewegt.

Der Überwachungsbereich lässt sich zwar so einstellen, dass er nicht den gesamten Boden abdeckt. Aber wenn der Sichtbereich des Melders deutlich eingeschränkt wird, kann sich dies unter Umständen auch ein Täter zunutze machen, indem er sich z. B. sehr nah am Boden bewegt. Hier läge ein aus Sicht von VdS falscher Einsatz der Meldetechnik vor. Die Nutzung eines solchen, oft optional angebotenen Leistungsmerkmals ist bei VdS-Anlagen in der Regel unzulässig.

Überlistung von PIR-Meldern

Abb. 7: Im Infrarotbild lässt sich erkennen, wie der Wärmeschutz des Täters innerhalb weniger Minuten nachlässt

Es kann also – technisch bedingt – zu unerwünschten Meldungen kommen. Heißt das im Umkehrschluss, dass PIR-Melder auch „überlistet“ werden können? Die Antwort heißt leider: Im Prinzip ja. Ein Täter könnte seine emittierte Wärmestrahlung zum Bewegungsmelder hin abschatten oder er sorgt für eine ausreichende Wärmedämmung seines gesamten strahlenden Körpers.

Wenn der Täter nun einen ausreichend großen Schild nutzt (welcher vorher auf Raumtemperatur gebracht wurde), kann er sich dahinter verstecken. Genau genommen sorgt er dafür, dass der Melder im Wärmeschatten des Schildes liegt und daher nichts bemerkt. Weil ein Schild unhandlich ist, könnte der Täter auf die Idee kommen, die eigene Wärmestrahlung durch spezielle Funktionskleidung abzuschirmen. Das wäre dann tatsächlich so etwas wie eine Infrarot-Tarnkappe.

Mithilfe eines Smartphones lassen sich heute bereits Wärmebilder aufnehmen, die die beschriebene Theorie untermauern. Auf derartigen Infrarotfotos ist die Temperaturverteilung recht genau erkennbar. Damit wäre ein Täter in der Lage, die Wirksamkeit seiner Wärmedämmung zu überprüfen. In Abb. 1 ist eine Person ohne besondere Wärmeschutzkleidung zu sehen. Der Temperaturunterschied zur Umgebung ist, ohne dass der genaue Celsiuswert überprüft worden wäre, signifikant.

Wenn sich der Einbrecher in eine wärmeschützende Jacke hüllt, wie in Abb. 7 dargestellt, ist zumindest der Oberkörper eine zeitlang „unsichtbar“ (links im Bild). Glücklicherweise hielt der Schutz in der Beispielkonfiguration nicht lange vor. Schon nach wenigen Minuten war die Jacke so weit angewärmt (Abb. 7 rechts), dass der PIR-Melder den Täter erkennen konnte. Mithilfe der Wärmebilder wird auch deutlich, dass ein Täter wirklich den gesamten Körper (einschließlich Hände, Kopf usw.) schützen müsste.

Möglichkeiten des Schutzes vor Überlistung

Machen wir uns auf die Suche nach Möglichkeiten, was gegen die Überlistung von PIR-Meldern getan werden kann. Denkbar wäre folgender Ansatz: Ein Raum wird nicht von einem PIR-Melder, sondern von mehreren Meldern gesichert. So ließe sich etwa mit mehreren, logisch „oder“-verknüpften PIR-Meldern der Raum aus unterschiedlichen Richtungen überwachen.

Auch der Einsatz von PIR-Meldern gemeinsam mit Mikrowellenmeldern (ebenfalls „oder“-verknüpft) ist denkbar. Es ist zu beachten, dass bei den (in Deutschland) eingesetzten Dualmeldern in aller Regel die „und“-Verknüpfung realisiert ist. Mit einem einzelnen solcher Dualmelder ist eine Überwachung, wie oben beschrieben, somit nicht darstellbar.

Außenhautüberwachung als Alternative?

Alternativ oder ergänzend zur Nutzung von Bewegungsmeldern kann die Konzentration auf die Außenhautüberwachung, also auf ein anderes Überwachungskonzept, eine „falsche“ Bewegungsmeldung ausschließen.

Bei der Abwägung, ob bei Gestaltung der Einbruchmeldeanlage der Außenhaut- oder Innenraumüberwachung der Vorzug gegeben wird, sollten u. a. folgende Punkte berücksichtigt werden: Wie groß sind die zu überwachenden Räume? Gibt es im konkreten Fall technische Möglichkeiten zur Außenhautüberwachung? Welcher Aufwand wäre für die unterschiedlichen Überwachungsprinzipien erforderlich? Ist die Innenraumüberwachung hinreichend sicher und ist die Innenraumüberwachung auch hinreichend falschalarmsicher?

Wenn sich der Betreiber gemeinsam mit dem Errichter für die Überwachung mit PIR-Meldern entscheidet, sind die Vorgaben des Herstellers – und die Bedingungen, die sich aus der VdS-Anerkennung ergeben – für den eingesetzten Melder unbedingt zu beachten.

So muss z. B. die Montagehöhe den Zulassungsbedingungen entsprechen, die besagen, dass Bewegungsmelder in der Regel zwischen 2,0 m und 2,5 m Höhe über dem Boden zu montieren sind. Dies ist zugleich die Höhe, für die eine vorliegende VdS-Anerkennung Gültigkeit hat. Die Montagehöhe ist u. a. wichtig, damit der vom Hersteller angegebene Überwachungsbereich vom Melder auch tatsächlich erfasst wird. Weiter wird sich die Änderung der Einsatzhöhe erkennbar auf die Empfindlichkeit des Melders auswirken.

Wenn die Höhe stark variiert wird oder werden muss, besteht für manche Melder die Möglichkeit, sich vom Hersteller für den Einzelfall bestätigen zu lassen, dass auch die besonders niedrige oder besonders hohe Einbauposition einwandfreie Ergebnisse liefert. Diese Bestätigung kann dann gemeinsam mit der vorher ausgeführten positiven VdSPrüfung auch für den Einsatz in VdSAnlagen akzeptiert werden.

Keinesfalls darf dann versäumt werden, den Erfassungsbereich des Melders durch Anpassung der Melderneigung oder – je nach Produkt – durch eine entsprechende Einstellung der dafür vorgesehenen DIP-Schalter den Gegebenheiten vor Ort anzupassen.

Die Außenhautüberwachung hat unzweifelhaft ihre Vorteile: Wir haben keine Schwierigkeiten mit Tieren oder anderen bewegten Wärmequellen (z. B. in Heizkörper einströmendes Wasser) im Überwachungsbereich der Anlage. Weiter muss es als deutlicher Komfortvorteil gewertet werden, dass bei entsprechender Projektierung bei Scharfschaltung der außenhautüberwachten Einbruchmeldeanlage signalisiert wird, dass wirklich alle Zugänge verschlossen sind.

Darüber hinaus ist die Außenhautüberwachung unauffällig und schränkt die Gestaltung der Innenräume praktisch nicht ein – auch nachträgliche Änderungen in der Raumgestaltung sind unkritisch (Stichwort: verdeckte oder zugestellte Bewegungsmelder).

Falls die Überwachung der Außenhaut für den gesamten Sicherungsbereich nicht umsetzbar ist, sollte zumindest der Schutz von Teilbereichen überdacht werden (dies wird bereits bei Serverräumen relativ häufig umgesetzt). Da jedoch eine Außenhautüberwachung, zumal, wenn die Anlage nachträglich in ein Gebäude oder einen Gebäudebereich eingebaut wird, oft mit größeren finanziellen Belastungen verbunden ist, müssen Errichter, Betreiber und Versicherer gemeinsam abwägen, welches Überwachungskonzept individuell angemessen ist.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich PIR-Melder – sofern VdS-geprüft und -anerkannt – gemäß ihrer Konstruktion bei der Gestaltung von Einbruchmeldeanlagen sinnvoll einsetzen lassen, wenn die Randbedingungen stimmen.

Selbstverständlich müssen etwa die Überwachungsbereiche der Melder stets frei gehalten werden. Manche technisch bedingte Eigenschaften (funktionsbedingte Schwachstellen) sind bekannt und bei der Planung zu berücksichtigen. Es gilt abzuwägen, ob diese Kriterien das Schutzziel der Anlage kompromittieren können und man ggf. über eine alternative Überwachungstechnik nachdenken sollte.

Einige potenzielle Schwächen von PIR-Meldern wurden besprochen, ohne dabei jedoch detailliert Anleitung zu geben, wie diese ausgenutzt werden können. Ein Errichter sollte daher mit seinem Kunden für jeden individuellen Fall sinnvolle Optionen für die Realisierung einer Einbruchüberwachung besprechen.

Mögliche Vor- und Nachteile der Innenraumüberwachung mit Bewegungsmeldern – etwa mit PIR-Meldern – sind dabei einer vollständigen oder in Teilen ausgeführten Außenhautüberwachung gegenüberzustellen. Gemeinsam mit dem Betreiber sollte der Errichter das optimale EMA-Konzept erarbeiten, das sowohl den Leistungskriterien einer hochwertigen Anlage als auch den Vorstellungen und Nutzungswünschen des Kunden gerecht wird.