WO1997011445A1 - Verbrauchserfassungssystem zur fernablesung - Google Patents

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WO1997011445A1
WO1997011445A1 PCT/EP1996/004068 EP9604068W WO9711445A1 WO 1997011445 A1 WO1997011445 A1 WO 1997011445A1 EP 9604068 W EP9604068 W EP 9604068W WO 9711445 A1 WO9711445 A1 WO 9711445A1
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Rainer Perthold
Heinz GERHÄUSSER
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
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    • H01Q1/2233—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in consumption-meter devices, e.g. electricity, gas or water meters
    • G—PHYSICS
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    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the present invention relates to consumption recording systems with remote reading and in particular to consumption recording systems in which planar antennas are used to emit a signal which corresponds to a measured consumption.
  • a vertical antenna for example, only works satisfactorily if it is attached to the outside of the meter housing, the housing serving as an HF counterweight. So the antenna is from accessible from outside and can be easily damaged.
  • the wall mounting of such devices is fundamentally a problem, since a vertical antenna is therefore always close to the HF-disturbing house wall, which can be made of reinforced concrete, for example, or also close to a metal radiator or gas meter.
  • the installation location also has the consequence that an omnidirectional characteristic of the transmitting / receiving antenna is not absolutely expedient, since electrical energy is uselessly radiated into the wall, which is fundamentally lossy.
  • the linear polarization of the electromagnetic field emitted by the antennas mentioned also has a disruptive effect, since reflections of the electromagnetic radiation lead to rotations in the plane of polarization of the radiation, which lead to a reduced reception power at the input of the receiver.
  • the object of the present invention is to create a reliable wireless consumption recording system.
  • the invention is based on the knowledge that by using a planar antenna in a consumption recording system it is possible to eliminate the disadvantages existing in the prior art.
  • the present invention enables the antenna to be placed in a consumption recording system in such a way that it is safe from destruction and manipulation.
  • Another advantage of the invention is that the metal housing of a consumption detection device does not have a negative influence on the radiation characteristics of the planar antenna, but rather has a positive influence in the sense of better HF radiation, lung characteristic is directed away from the wall. Due to the fact that the planar antenna used in the invention radiates elliptically polarized, reflections along the radio path lead to much smaller power losses at the receiver compared to linear radiators.
  • the antenna used reacts relatively insensitively to an exact installation position and to a bad connection of the RF dimensions of the transmitter with the metallic housing of the meter, which is why the position of the antennas does not have to be taken into particular account when designing a consumption detection device, or a subsequent one Installation of the antenna is easily possible.
  • FIG. 1 shows a consumption recording system according to an exemplary embodiment of the present invention using the example of a gas meter
  • FIG. 2 shows an “inverted F antenna” that can be used as a planar antenna in the consumption recording system according to the present invention.
  • FIG 3 shows a radio module with a planar antenna on a multilayer substrate for a consumption recording system according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a consumption recording system 10 which is attached to a wall 12.
  • An embodiment of the present invention is described using a gas meter.
  • the consumption recording system according to the present invention can also be a water meter, a heat meter and the like.
  • a metallic gas meter housing 14 is formed on the side opposite the wall 12 by a housing cover 16 Plastic finished.
  • the housing cover 16 is usually provided with a seal in order to avoid unauthorized manipulation of the gas meter.
  • a planar antenna 18 is attached to the housing cover 16 by means of adhesive or other suitable holding devices.
  • the planar antenna 18 is fed by a radio module 22 via a coaxial line 20.
  • the radio module is connected to a gas meter device (not shown) in order to suitably process the detected gas meter reading and convert it into data signals that can be transmitted via the planar antenna 18.
  • the gas meter device is located in the gas meter housing 14. It is obvious to a person skilled in the art that any other consumption detection device can be connected to the radio module 22 so that it can supply the planar antenna 18 with suitable transmission data via the coaxial cable.
  • planar antenna 18 used in a preferred exemplary embodiment of the present invention, which is implemented as an “inverted F antenna”.
  • Such antennas are described in K. Hirasawa and M. Haiishi "Analysis, Design, and Measurement of small and low Profile Antennas", Artech House, Boston, London, 1992.
  • planar antennas can be understood as stripline resonators with radiation losses, the radiation losses of the resonator representing the radiated useful signal.
  • the “inverted F antenna” 18 is composed of the following components.
  • the dielectric antenna substrate 28 is located on a metallized base surface 26, e.g. FR4.
  • a metallized antenna surface 30 is formed on the antenna substrate, for example by known etching methods.
  • an entry point 32 can be selected in order to adapt the antenna 18 to the output impedance of a transmitter in the radio module 22.
  • the antenna 18 is tuned the length of a short-circuit strip 34 is tuned to resonance at the desired transmission frequency, such as 433 MHz.
  • FIG. 3 Another exemplary embodiment of the consumption detection system according to the present invention is shown in FIG. 3.
  • a metallized surface 38 which acts as an antenna surface, is attached to a multilayer substrate 40.
  • a first ground plane 42 forms the ground plane necessary for the planar antenna.
  • an intermediate substrate 46 which can be made of the same material as a circuit substrate 48, on which in turn a radio module 50 is present.
  • the radio module 50 can have SMD components for a high-frequency section and / or low-frequency circuit arrangements which are necessary for the signal processing of the consumption detection device.
  • an agent of the supply company activates, for example by sending an activation pulse, all the consumption recording devices present in a residential complex from a standby mode, whereupon they begin with a different code for each individual consumption recording device stood out.
  • a suitable receiver assigns the received signals to the respective rental party and prepares the corresponding consumption bills. It is therefore no longer necessary to enter every apartment or every single room of every apartment.
  • the planar antenna 18, which is used in the consumption recording system 10 according to the present invention, is a planar structure, which is why only a small installation height is required, but there must be sufficient area for this.
  • the same can thus be accommodated in an arbitrarily attached housing, such as in a gas meter or radiator mounted on a wall.
  • the main radiation direction points frontally from the gas meter, ie from the lossy one Wall, away, which ultimately leads to an increased range of the entire system.
  • the antenna is also not very sensitive to changes in the environment behind the antenna, ie to changes in the mechanical position in the gas meter.
  • the antenna can also be easily produced by a conventional etching process.

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Abstract

Ein Verbrauchserfassungssystem (10) weist eine Verbrauchserfassungseinrichtung (14), ein Funkmodul (22), das an die Verbrauchserfassungseinrichtung (14) angeschlossen ist, und eine Planarantenne (18) auf, wobei die Planarantenne (18) mit dem Funkmodul (22) verbunden ist, um von der Verbrauchserfassungseinrichtung (14) erfaßte Daten auszusenden.

Description

Verbrauchserfassungssystem zur Fernablesung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrauchserfas¬ sungssysteme mit Fernablesung und insbesondere auf Ver¬ brauchserfassungssysteme, bei denen Planarantennen verwendet werden, um ein Signal abzustrahlen, das einem gemessenen Verbrauch entspricht.
Bei Wohnanlagen oder Bürohäusern mit einer zentralen Ener¬ gie- und Wasserversorgung ist es notwendig, den individuel¬ len Verbrauch einzelner Mietparteien an Gas, Heizung und/oder Wasser getrennt für jede Mietpartei zu erfassen und abzurechnen. In Anbetracht der steigenden Kosten für Energie und Wasser sowie der stark unterschiedlichen Verbrauchswerte einzelner Mietparteien, wie z.B. Alleinstehende im Vergleich zu Familien mit Kindern, ist es nicht mehr tragbar, die Energie- und Wasserkosten aufgrund der gemieteten Wohn- bzw. Geschäftsfläche "überschlagsmäßig" abzurechnen.
Dies hat dazu geführt, für jede Miet- bzw. Eigentümerpartei einen getrennten Zähler für elektrische Energie vorzusehen, die dann alle üblicherweise in einem gemeinsamen Raum, bei¬ spielsweise im Keller des betreffenden Hauses, angebracht sind. Um die Verbrauchsdaten an elektrischem Strom abzule¬ sen, ist es notwendig, daß ein Angestellter der Stadtwerke die Zählerstände in regelmäßigen Abständen abliest, was mit begrenztem Aufwand verbunden ist, da alle Stromzähler des Hauses in einem gemeinsamen Raum angebracht sind.
Anders ist die Situation jedoch bei zentralen Gasversorgun¬ gen oder zentralen Heizungsanlagen für Wohnanlagen und Ge¬ schäftshäuser. Hierbei wird die gesamte Anlage meist durch eine zentrale Brennereinheit versorgt, weswegen es erforder¬ lich ist, beispielsweise an jedem Heizkörper einen Wärmezäh¬ ler anzubringen. Ähnlich geartet ist der Fall bei einer Gas- Versorgung. Hier ist bei dem Eintrittspunkt eines Gasnetzes in die jeweilige Wohnung ein Gaszähler vorgesehen. Zur Er¬ fassung des Verbrauchs und zur Rechnungsstellung ist es dem¬ nach erforderlich, daß ein Angestellter des Versorgungsun¬ ternehmens jede einzelne Wohnung betritt, um beispielsweise den Gasstand abzulesen, während es bei Wärmezählern an Heiz¬ geräten sogar erforderlich ist, daß der Angestellte des Ver¬ sorgungsunternehmens jeden einzelnen Heizkörper sowie jede Warmwasserleitung aufsuchen muß, um den entsprechenden Zäh¬ lerstand zu notieren, um pro Wohneinheit eine Gesamtrechnung zu erstellen. Aufgrund des großen Zeitaufwandes, jede ein¬ zelne Wohnung einer Wohnanlage oder sogar jedes einzelne Zimmer einer Wohnung zu betreten, ist das Ablesen sehr teuer und aufwendig. Die Kosten für das Ablesen können sogar in die Größenordnung der insgesamt angefallenen Heizkosten kom¬ men.
Aufgrund der beschriebenen Situation existieren Anstrengun¬ gen, eine Ablesung der genannten Verbrauchserfassungsein¬ richtungen mittels drahtloser Telemetrie zu realisieren. Die bisher dafür verwendeten linearen Antennen, wie z.B. Dipol¬ antennen, Vertikalantennen oder Schleifenantennen, als Sen¬ de- bzw. Empfangsantennen weisen jedoch den Nachteil auf, daß es äußerst schwierig ist, mit den genannten Antennenfor¬ men die an drahtlose Verbrauchserfassungssysteme gerichteten Anforderungen zu erfüllen. Diese sind insbesondere ein aus¬ reichender Sende- bzw. Empfangswirkungsgrad und eine ausrei¬ chende Sicherheit gegen Zerstörung und Beeinflussung durch die Umgebung.
Die elektrischen Eigenschaften der genannten Antennenformen ändern sich sehr stark, sobald leitendes Material, wie z.B. das Gehäuse des Zählers, in die Nähe des strahlenden Bau¬ teils kommt. In Fachkreisen wird dieser Effekt auch als der "Proximity-Effekt" bezeichnet. So funktioniert beispielswei¬ se eine Vertikalantenne nur dann zufriedenstellend, wenn sie außen am Gehäuse des Zählers angebracht ist, wobei das Ge¬ häuse als HF-Gegengewicht dient. Damit ist die Antenne von außen zugänglich und kann sehr leicht beschädigt werden.
Weiterhin stellt die Wandmontage derartiger Geräte grund¬ sätzlich ein Problem dar, da sich eine Vertikalantenne damit immer nahe an der HF-mäßig störenden Hauswand, die bei¬ spielsweise aus Stahlbeton bestehen kann, oder auch nahe an einem metallenen Heizkörper oder Gaszähler befindet. Das gleiche gilt für Dipolantennen, da diese nicht ausreichend weit von der Hauswand oder dem Heizkörper entfernt ange¬ bracht werden können. Der Montageort hat weiterhin zur Fol¬ ge, daß eine Rundstrahlcharakteristik der Sende/Empfangs¬ antenne nicht unbedingt sinnvoll ist, da elektrische Energie nutzlos in die Wand eingestrahlt wird, die grundsätzlich verlustbehaftet ist. Die lineare Polarisation des elektro¬ magnetischen Feldes, das die genannten Antennen ausstrahlen, wirkt ebenfalls störend, da es bei Reflexionen der elektro¬ magnetischen Strahlung zu Drehungen der Polarisationsebene der Strahlung kommt, die zu einer verminderten Empfangslei¬ stung am Eingang des Empfängers führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein zuverlässiges drahtloses Verbrauchserfassungssystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verbrauchserfassungssystem ge¬ mäß Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es durch Verwenden einer Planarantenne in einem Verbrauchserfassungs- sys.tem möglich ist, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu beseitigen. Insbesondere ermöglicht es die vor¬ liegende Erfindung, die Antenne derart in einem Verbrauchs¬ erfassungssystem zu plazieren, daß dieselbe vor Zerstörung und Manipulierung sicher ist. Ein weiterer Vorteil der Er¬ findung besteht darin, daß das Metallgehäuse einer Ver¬ brauchserfassungseinrichtung die Abstrahlungscharakteristik der Planarantenne nicht negativ, sondern im Sinne besserer HF-Abstrahlung positiv beeinflußt, wobei ferner die Abstrah- lungscharakteristik von der Wand weg gerichtet ist. Aufgrund der Tatsache, daß die bei der Erfindung verwendete Planaran¬ tenne elliptisch polarisiert strahlt, führen Reflexionen entlang der Funkstrecke im Vergleich zu linearen Strahlern zu viel kleineren Leistungsverlusten am Empfänger. Schließlich reagiert die verwendete Antenne relativ unempfindlich auf eine genaue Einbauposition und auf eine schlechte Verbindung der HF-Maße des Senders mit dem metallischen Gehäuse des Zählers, weswegen beim Entwurf einer Verbrauchserfassungseinrichtung nicht speziell auf die Position der Antennen Rücksicht genommen werden muß, oder andererseits ein nachträglicher Einbau der Antenne ohne weiteres möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich¬ nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verbrauchserfassungssystem gemäß einem Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung am Beispiel eines Gaszählers;
Fig. 2 eine "Inverted F-Antenne", die als Planarantenne bei dem Verbrauchserfassungssystem gemäß der vorliegen¬ den Erfindung verwendet werden kann; und
Fig. 3 ein Funkmodul mit einer Planarantenne auf einem Mul- tilayer-Substrat für ein Verbrauchserfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Verbrauchserfassungssystem 10, das an einer Wand 12 befestigt ist. Ein Ausführungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung wird anhand eines Gaszählers beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß das Verbrauchserfassungs¬ system gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls ein Was¬ serzähler, ein Wärmezähler und dergleichen sein kann. Ein metallisches Gaszählergehäuse 14 ist auf der der Wand 12 gegenüberliegenden Seite durch einen Gehäusedeckel 16 aus Kunststoff abgeschlossen. Üblicherweise ist der Gehäuse¬ deckel 16 mit einer Plombierung versehen, um unerlaubte Manipulationen an dem Gaszähler zu vermeiden. An dem Ge¬ häusedeckel 16 ist eine Planarantenne 18 mittels Klebstoff oder anderer geeigneter Haltevorrichtungen befestigt. Die Planarantenne 18 wird über eine Koaxialleitung 20 von einem Funkmodul 22 gespeist. Das Funkmodul steht mit einer Gaszäh¬ lereinrichtung (nicht gezeigt) in Verbindung, um den erfa߬ ten Gaszählerstand geeignet zu verarbeiten und in über die Planarantenne 18 aussendbare Datensignale umzuwandeln. Die Gaszählereinrichtung befindet sich in dem Gaszählergehäuse 14. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß jede andere Verbrauchserfassungseinrichtung mit dem Funkmodul 22 verbun¬ den werden kann, damit dasselbe die Planarantenne 18 über das Koaxialkabel mit geeigneten Sendedaten versorgen kann.
Fig. 2 zeigt eine bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendete Planarantenne 18, die als "Inverted F-Antenne" realisiert ist. Derartige Antennen sind in K. Hirasawa und M. Haiishi "Analysis, Design, and Measurement of small and low Profile Antennas", Artech House, Boston, London, 1992, beschrieben. Grundsätzlich kön¬ nen Planarantennen als Streifenleitungsresonatoren mit Strahlungsverlusten aufgefaßt werden, wobei die Strahlungs¬ verluste des Resonators das abgestrahlte Nutzsignal darstel¬ len.
Die "Inverted-F-Antenne" 18 setzt sich aus folgenden Kompo¬ nenten zusammen. Auf einer metallisierten Grundfläche 26 be¬ findet sich das dielektrische Antennensubstrat 28, wie z.B. FR4. Auf dem Antennensubstrat ist eine metallisierte Anten¬ nenfläche 30 beispielsweise durch bekannte Ätzverfahren ge¬ bildet.
Abhängig von der auf der Antennenfläche 30 vorhandenen Feld¬ verteilung kann ein Einspeisepunkt 32 gewählt werden, um die Antenne 18 an die Ausgangsimpedanz eines Senders in dem Funkmodul 22 anzupassen. Die Antenne 18 wird durch Abstimmen der Länge eines Kurzschlußstreifens 34 auf Resonanz bei der gewünschten Sendefrequenz, wie z.B. 433 MHz, abgestimmt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrauchserfassungssy¬ stems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 ge¬ zeigt. Insbesondere ist dort eine metallisierte Fläche 38, die als Antennenfläche wirkt, auf einem Multilayer-Substrat 40 befestigt. Eine erste Massefläche 42 bildet die für die Planarantenne notwendige Masseebene. Zwischen der ersten Massefläche 42 und einer zweiten Massefläche 44 befindet sich ein Zwischensubstrat 46, das aus dem gleichen Material sein kann wie ein Schaltungssubstrat 48, auf dem wiederum ein Funkmodul 50 vorhanden ist. Das Funkmodul 50 kann SMD- Bauteile für einen Hochfrequenzabschnitt und/oder niederfre¬ quente Schaltungsanordnungen aufweisen, die für die Signal¬ verarbeitung der Verbrauchserfassungseinrichtung nötig sind.
Zum Zeitpunkt einer Ablesung der Verbrauchserfassungsein¬ richtung aktiviert ein Beauftragter des Versorgungsunterneh¬ mens beispielsweise durch Senden eines Aktivierungsimpulses alle in einer Wohnanlage vorhandenen Verbrauchserfassungs¬ einrichtungen aus einem Bereitschaftsmodus heraus, worauf dieselben beginnen, mit einem für jede einzelne Verbrauchs¬ erfassungseinrichtung unterschiedlichen Code ihren Zähler¬ stand auszusenden. Ein geeigneter Empfänger ordnet dann die empfangenen Signale der jeweiligen Mietpartei zu und er¬ stellt die entsprechenden Verbrauchsabrechnungen. Es ist also nicht mehr notwendig, daß jede Wohnung oder jedes einzelne Zimmer jeder Wohnung betreten werden muß.
Die Planarantenne 18, die bei dem Verbrauchserfassungssystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine planare Struktur, weswegen nur eine geringe Einbauhöhe, da¬ für aber eine ausreichende Fläche vorhanden sein muß. Die¬ selbe läßt sich damit in einem beliebig angebrachten Gehäu¬ se, wie z.B. in einem an einer Wand montierten Gaszähler oder Heizkörper, unterbringen. Die Hauptstrahlungsrichtung zeigt frontal vom Gaszähler, d.h. von der verlustbehafteten Wand, weg, was schließlich zu einer erhöhten Reichweite des gesamten Systems führt. Die Antenne reagiert ferner wenig empfindlich auf Änderungen der Umgebung hinter der Antenne, d.h. auf Änderungen der mechanischen Position im Gaszähler. Die Antenne ist ferner ohne weiteres durch einen konventio¬ nellen Ätzprozeß herstellbar. Ihr HF-Strahlungsfeld ist el¬ liptisch polarisiert, weswegen keine größeren Polarisations¬ verluste am Empfänger entstehen, wenn durch Reflexionen auf der Funkstrecke Phasendrehungen auftreten. Da die Antenne bereits eine inhärente Bezugsebene beinhaltet, ist die Qua¬ lität der Masseverbindung zum Gaszähler von geringer Bedeu¬ tung. Es ist jedoch auch möglich, bei geeigneter Verbindung der Antenne mit dem Metallgehäuse einer Verbrauchserfas¬ sungseinrichtung 14 das metallische Gehäuse als Masseebene für die Planarantenne 18 zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Verbrauchserfassungssystem (10) mit:
einer Verbrauchserfassungseinrichtung (14) ;
einem Funkmodul (22) , das an die Verbrauchserfassungs¬ einrichtung (14) angeschlossen ist; und
einer Planarantenne (18) , die an das Funkmodul (22) an¬ geschlossen ist.
2. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß Anspruch 1,
bei dem die Planarantenne (18) innerhalb eines nicht¬ metallischen Gehäusedeckels (16) einer Verbrauchserfas¬ sungseinrichtung (14) plaziert ist.
3. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Verbrauchserfassungseinrichtung (14) an einer Wand (12) angebracht ist, und die Hauptabstrah- lungsrichtung der Planarantenne (18) senkrecht von der Wand weg ausgerichtet ist.
4. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Planarantenne (18) eine Inverted-F-Antenne ist.
5. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Anεprüche,
bei dem eine Metallfläche der Verbrauchserfassungsein¬ richtung (14) die Massefläche (26) der Planarantenne ( 18 ) darstellt.
6. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4 ,
bei dem die Planarantenne (18) eine eigene Massefläche (24) aufweist.
7. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß Anspruch 6,
bei dem das Funkmodul (22) und die Planarantenne (18) auf dem gleichen Substrat (40) realisiert sind.
8. Verbrauchserfassungssystem (10) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Verbrauchserfassungseinrichtung (14) ein Gaszähler ist.
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