JPH09178519A - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ

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JPH09178519A
JPH09178519A JP33834895A JP33834895A JPH09178519A JP H09178519 A JPH09178519 A JP H09178519A JP 33834895 A JP33834895 A JP 33834895A JP 33834895 A JP33834895 A JP 33834895A JP H09178519 A JPH09178519 A JP H09178519A
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JP
Japan
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pressure
diaphragm
pressure sensor
vibration
pressure introduction
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JP33834895A
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English (en)
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Kenichi Matsubara
賢一 松原
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Tokyo Gas Co Ltd
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Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の圧力センサと同様に、減算演算処理に
より外部からの振動の影響を除去し、膜を振動させるこ
となく騒音を除去し、その結果、膜の生産時の個体差、
経年劣化の個体差の影響を受けない騒音除去能力が保証
され、計測流量がゼロのときに管路内の雑音に対して膜
を動かさないようにして、膜の弾性劣化を抑制し、耐久
性を向上させることができ、構造簡単で制作の容易な圧
力センサを提供すること。 【解決手段】 フルイディック素子17を使用する流体
振動型流量計の圧力センサ10であって、該フルイディ
ック素子17の流れの方向に対して対称位置に設けられ
た導圧孔24a、24bの圧力を識別できるよう対向配
置された気密性の高い2個の膜32a、32bと、膜が
検出すべき流体振動に対し互いに逆向きに振れ且つ外乱
の振動に対しては同じ向きに振れるよう各膜の両側と前
記導圧孔との間に等長・同径に構成された導圧路l1
2 とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は流体振動型流量計に
使用する圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、流体振動型流量計に例えば実開平
1ー58119に開示されるような2膜式の圧力センサ
が使用されている。
【0003】この流体振動型流量計に流体振動検出素子
または圧力発生素子としてフルイディック素子が広く使
用されている。フルイディック素子のノズルから噴出し
た流体はコアンダ効果により側壁に沿って流れ、この偏
流による圧力上昇をノズル出口にフィードバックする
と、流れの偏りが反対側に切り替わる。これらの現象が
繰り返され流体振動が発生する。この流体振動の周波数
はフルイディック素子を通過する流体の流量に比例す
る。フルイディック素子内の流体振動検出端に流体の流
れ方向に対称的に導圧孔が設けられている。
【0004】図13は従来の圧力センサの概略構成を示
す図である。
【0005】図13の圧力センサ10’はフルイディッ
ク素子を使用する流体振動型流量計の圧力センサであっ
て、該フルイディック素子の流れの方向に対して対称位
置に設けられた導圧孔35a、35bの圧力を識別でき
る同一平面上もしくは平行平面上に配置された気密性の
高い2個の膜32a、32bと導圧孔35a、35bの
それぞれから膜32a、32bの片面ずつに到達する導
圧路33a、33bとを具備し、導圧路33a、33b
は導圧孔35a、35bの圧力差により膜32a、32
bが互いに逆向きに変形するよう構成され、それぞれの
膜32a、32bの両面からそれぞれの導圧孔35a、
35bに至る部分の導圧路33a、33bを等長かつ同
体積にし、かつ導圧孔35a、35bがそれぞれ導圧路
33a、33bの中央位置に開通されているので、まっ
たく対称に構成されている。このような構造を有する圧
力センサ10’は振動と騒音の影響を除去しながら流体
振動を効果的に検出することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
圧力センサ10’は2枚の膜32a、32bを備え、か
つ検出すべき流体振動に対し互いに逆向きに、外乱の振
動に対しては同じ向きに振れるように導圧路33a、3
3bを構成しなければならない制約上、両者が同一の点
上で重ならないようその構造が立体的にならざるをえず
工作が非常に困難である。
【0007】また、騒音除去の点から導圧路33a、3
3bが膜32a、32bに関して面対称にするのが最善
であるが、この第1条件と前述の2条件、すなわち2枚
の膜32a、32bを備え、かつ検出すべき流体振動に
対し互いに逆向きに、外乱の振動に対しては同じ向きに
振れるように導圧路33a、33bを構成しなければな
らない第2条件と、それぞれの膜32a、32bの両面
からそれぞれの導圧孔35a、35bに至る部分の導圧
路33a、33bを等長かつ同体積にしなければならな
い第3条件を同時に満たすこととは幾何学的に両立しえ
ない。したがって、騒音の影響は大幅に低減できるもの
の、完全に除去することは不可能である。
【0008】本発明は上述の点にかんがみてなされたも
ので、従来の圧力センサと同様に、減算演算処理により
外部からの振動の影響を除去することができ、かつ膜を
振動させることなく雑音を除去することができ、その結
果、膜の生産時の個体差、経年劣化の個体差の影響を受
けない雑音除去能力が保証され、また、計測流量がゼロ
のときに管路内の雑音に対して膜を動かさないようにし
て、膜の弾性劣化を抑制し、耐久性を向上させることが
でき、さらに構造簡単で制作の容易な圧力センサを提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】先に述べた図13の圧力
センサ10’では2個のマイクに挟まれた空間に正確に
等長・同径の導圧路をつくることはできない。それは導
圧路の対称性から2つの導圧路がマイク間の中央の点で
重なってしまうので、導圧路の面積がゼロにできない限
り、この形では実現できない。そこで、発明者は2個の
マイクに挟まれた空間の外側に導圧路を形成した(図1
参照)。
【0010】本発明は上記目的を達成するため、フルイ
ディック素子を使用する流体振動型流量計の圧力センサ
であって、該フルイディック素子の流れの方向に対して
対称位置に設けられた導圧孔の圧力を識別できるよう対
向配置された気密性の高い2個の膜と、前記膜が検出す
べき流体振動に対し互いに逆向きに振れ且つ外乱の振動
に対しては同じ向きに振れるよう前記各膜の両側と前記
導圧孔との間に等長・同径に構成された導圧路とを具備
することを特徴とする。
【0011】また、本発明は前記膜が圧電性フィルムで
あることを特徴とする。
【0012】また、本発明は前記膜がダイアフラムの両
側が開放されているマイクのダイアフラムであることを
特徴とする。
【0013】このように、フルイディック素子の2つの
導圧孔から各膜の表裏に到達するまでの導圧経路を等
長、同体積にしたので、平面的にも構成することがで
き、構造簡単で製作容易となり、導圧路が短くなり共振
周波数を上げることができ、かつ管路内の騒音が各膜の
両側に同時、同相、同レベルに伝わるので膜は動かず雑
音は検知しない。また、検出圧力成分には逆相に振れ、
外部からの振動成分には同相に振れるように2枚の膜を
配置したので、減算演算処理により外部からの振動の影
響を除去することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。
【0015】図7は本発明の圧力センサ10を適用した
流体流量計の概略構成を示す図である。
【0016】この流体流量計はフルイディック素子17
を使用したフルイディック流量計である。流路の入口1
1から流入し、ノズル12から噴出した気体がコアンダ
効果により、側壁13a、13bに沿った流れになる。
この流れがフィードバック流路14aまたは14bに到
達すると、圧力がノズル12に伝わり流れを切り替え
る。この切り替えは交互に発生し、流量に比例した周波
数をもつ流体振動になる。15はターゲット、16は出
口である。18はフルイディック素子17を形成するケ
ース本体である。ターゲット15の下流側に流体振動検
出端14が設けられ、この流体振動検出端14の両端に
上記フィードバック流路14a、14bが設けられてい
る。
【0017】流体振動はフィードバック流路14a、1
4bに開口する一対の導圧孔24a、24bからそれぞ
れ導圧管19a、19bにより圧力センサ10に導か
れ、電気信号に変換されて電子回路21に伝えられる。
同時に、ノズル12に配置された熱式フローセンサ22
により流速が検出され、電気信号に変換されて電子回路
21に伝えられる。この電気信号は、電子回路21にお
いて、予め測定された両センサの線形性(信号と流量の
対応の直線性)が逆転する流量で良い方に切り替えら
れ、演算処理され、流量積算値として表示器23に表示
される。22aはノズル12に配置された整流板であ
る。
【0018】図8は本発明の圧力センサに接続される電
子回路のブロック図である。
【0019】図8において、電子回路21はアナログア
ンプ、波形整形回路、信号判定回路、コンバータ、クロ
ック制御回路、カウンタ、電気制御回路、マイクロコン
ピュータ及び電源により構成されている。
【0020】図1は本発明の圧力センサの概略構成を示
す透視斜視図である。図2は本発明の圧力センサの概略
構成を示す断面図である。
【0021】図1、2に示す本発明の圧力センサ10
は、ダイアフラムの両側が開放されているマイク、例え
ばエレクトレットコンデンサマイクのダイアフラム(以
下マイクと略称する)を膜として使用したものであり、
そのセンサユニット篋体31の内部は2個の圧力室3
6、37に分割され、これらの圧力室36、37にそれ
ぞれマイク30a、30bが嵌め込まれている。この実
施例において、マイク30a、30bは同じものを使用
している。また、各圧力室36、37は前述の各マイク
のダイアフラム32aとダイアフラム32bにより、そ
れぞれ室36a、36bと室37a、37bに仕切られ
ている。ダイアフラム32aとダイアフラム32bは同
一平面上に配置され、気密性の高いものである。
【0022】室36aの圧力導入口35aにフルイディ
ック素子17の導圧孔24aから導圧管19aを通じて
流体圧力P1 が導入され、この流体圧力は室36aから
流路33aを通じて室37bに導入される。また、室3
6bの圧力導入口35bにフルイディック素子17の導
圧孔24bから導圧管19bを通じて流体圧力P2 が導
入され、この流体圧力は室36bから流路33bを通じ
て室37aに導入される。
【0023】したがって、フルイディック素子17の導
圧孔24aの流体圧力はダイアフラム32aの片面と、
ダイアフラム32bの他面に作用する。また、フルイデ
ィック素子17の導圧孔24bの流体圧力はダイアフラ
ム32bの他面と、ダイアフラム32bの片面に作用す
る。その結果、フルイディック素子17の導圧孔24
a、24bの流体圧力に差があれば、ダイアフラム32
a、32bは逆向きにまったく同様に変形する。
【0024】本発明の圧力センサにおいて、フルイディ
ック素子17の導圧孔24a、24bからそれぞれダイ
アフラム32a、ダイアフラム32bに達するまでの全
距離を合計したものを導圧路l1 、l2 と稱する。これ
ら2本の導圧路l1 、l2 はダイアフラム32aとダイ
アフラム32bが検出すべき流体振動に対し互いに逆向
きに振れるよう各ダイアフラム32a、ダイアフラム3
2bの両側と前記導圧孔24a、24bとの間に等長・
同径に構成されている(図1参照)。検出すべき流体振
動の周波数が導圧路l1 、l2 の共振周波数に対して十
分低い場合、導圧路の曲折や枝管の影響は誤差として無
視できるほど小さい。
【0025】図3は音の伝達係数と周波数との関係を示
す図である。
【0026】導圧孔24a、24bから膜すなわちダイ
アフラム32a、ダイアフラム32bまでの音の伝達特
性G(単位:dB)を縦軸にとり、音の周波数を横軸に
とる。各圧力室36a、36b、37a、37bの音の
伝達特性をそれぞれG1 、G2 、G3 、G4 とする(図
1)。これらの伝達特性Gは図3に示すようにある周波
数で極大値となる。計算上の極大値は気体中を伝搬する
際の減衰を無視すれば無限大である。
【0027】図4は音の伝達特性と導圧路の長さとの関
係を示す図である。音の伝達特性G(単位:dB)を縦
軸にとり、音の周波数を横軸にとる。
【0028】図4に示すように、伝達特性Gは導圧路の
長さにより周波数方向に平行移動する性質を持ってい
る。導圧路の長さが長いと周波数の低い方に移動し、短
いと周波数の高い方に移動する。
【0029】図5はノイズレベルの許容上限と騒音に対
するセンサの出力特性を示す図である。
【0030】図5は音の伝達特性G(単位:dB)を縦
軸にとり、音の周波数を横軸にとる。実装時は気体伝搬
時の減衰や導圧路壁面での吸音のため極大値P1、P2
はかなり大きい有限値である。G3=G4 、G1=G2 なら
ば、2つの導圧孔から均一の騒音が侵入してもダイアフ
ラム(膜)で打ち消しあってしまうが、マイクのダイア
フラム両側での構造のちがい(図2)や製造誤差がある
ため、|G3 −G4|と|G1 −G2|に該当する出力が出
てしまう。そして、センサ出力はマイク出力の差になる
ため、|(G1-G2)−(G3-G4)| =|G1-G2-G3+G4|
が図5のような外来騒音に対する出力特性になる。
【0031】ここで、図4の性質と合わせて考えると、
「導圧路が長くなるとグラフが左に移動する、すなわち
騒音の影響を十分に除去できなくなる周波数が低くなる
ため、測定可能な発振周波数=流量の上限が下がってし
まう」ことが判明する。
【0032】そこで対抗案として、本発明の圧力センサ
10が開発された。この圧力センサ10ではあえて2個
のマイクに挟まれた空間を迂回して導圧路を作る必要が
ないので、導圧路を短くできるようになり、図5におけ
るP1を右方向(高い周波数の方)へ動かすことができ
るようになった。反面、振動板であるダイアフラム
(膜)からみた導圧路の形状や分岐位置が両側で異なる
ため、|G1-G2|、|G3-G4|がそれぞれ大きくなって
しまうという問題も発生する。
【0033】図6は外来騒音に対する出力特性を示す図
である。音の伝達特性G(単位:dB)を縦軸にとり、
音の周波数を横軸にとる。
【0034】図6において、外来騒音に対する出力特性
を従来型は点線Bで示し、本発明は実線で示す。これに
よると、本発明は従来型に比べて「測定範囲内の騒音は
多少拾いやすいが、測定範囲が広い」ということができ
る。また、従来型は図13のように、導圧孔をダイアフ
ラム(膜)に対向する位置に設けるのが理想的である
が、本発明の型は図1のように導圧孔をダイアフラム
(膜)の横方向にも設けられるため、例えば感度を上げ
るために大きなマイクユニットを使う場合には測定可能
な周波数の上限の差、すなわち、測定可能な流量の上限
の差は非常に大きくなる。
【0035】上記構成になる本発明の圧力センサ10は
次のような動作を行う。
【0036】図9は本発明の圧力センサの流量計測時に
おける動作と出力をフルイディック素子17の内部にお
けるガスの流れの状態と関連して説明する図である。
【0037】図9(a−1)、(a−2)、(a−
3)、(a−4)は圧力センサ10がそれぞれ状態1、
状態2、状態3、状態4に在るときのフルイディック素
子17の内部におけるガスの流れの状態を示す図であ
る。ガスの流れは状態1、状態2、状態3、状態4の順
序で繰り変えされる。なお、ガスの流れは鎖線で示され
ている。また、フルイディック素子17の導圧孔24
a、24bにおける流体の圧力、したがって、これらに
それぞれ連通した圧力センサ10の圧力導入口35a、
35bの圧力をそれぞれP1 、P2 として示している
(図9参照)。
【0038】図9(b−1)、(b−2)、(b−
3)、(b−4)は状態1、状態2、状態3、状態4に
おける、マイク30aのダイアフラム32a及びマイク
30bのダイアフラム32bの動きを示す図である(図
1参照)。ダイアフラム32aとダイアフラム32bの
動きも状態1、状態2、状態3、状態4の順序で繰り変
えされる。状態2と状態4において、マイク30aのダ
イアフラム32a及びマイク30bのダイアフラム32
bは変形していない。しかし、状態1において、マイク
30aのダイアフラム32a右方向に変形し、マイク3
0bのダイアフラム32bは左方向に変形している。す
なわち、両ダイアフラムが逆向きに変形するように構成
されている。状態3において、両ダイアフラムの変形方
向は状態1の場合とまったく逆になっている。
【0039】図9(c)は圧力センサ10の出力を示す
図である。横軸に時間tを、縦軸に出力vをとり、点線
はマイク30aの出力、鎖線はマイク30bの出力、実
線は圧力センサ10の出力を示す。これらの曲線の横軸
上の各位置はそれぞれ状態1、状態2、状態3、状態4
に対応する。
【0040】図10は本発明の圧力センサ10の流量計
測時すなわち正常な流体振動時における動作と出力を説
明する図である。
【0041】図10(a)はフルイディック素子17の
導圧孔24aに連通している室36aと室37bの圧力
変化を示す図で、横軸に時間、縦軸に圧力を示す。図1
0(b)はフルイディック素子17の導圧孔24bに連
通している室36bと室37aの圧力変化を示す図で、
横軸に時間、縦軸に圧力を示す。図10(c)はマイク
30aのダイアフラム32aの変形を示す図で、横軸に
時間、縦軸に変形を示す。図10(d)はマイク30b
のダイアフラム32bの変形を示す図で、横軸に時間、
縦軸に変形を示す。図10(e)はマイク30aの出力
を示す図で、横軸に時間、縦軸に出力を示す。図10
(f)はマイク30bの出力を示す図で、横軸に時間、
縦軸に出力を示す。図10(g)は図10(e)のマイ
ク30aの出力と図10(f)のマイク30bの出力を
減算して得られる圧力センサ10の出力を示す図で、横
軸に時間、縦軸に出力を示す。
【0042】図10(a)、(b)に示すようにダイア
フラムの両側で差圧が生じるため、この差圧に応じて図
10(c)、(d)に示すようにダイアフラムが変形
し、図6(e)、(f)に示すように前記変形に応じて
電圧が発生し、減算処理により図10(g)に示すよう
な出力電圧が得られる。
【0043】図11は本発明の圧力センサ10の外部振
動キャンセル時の動作と出力を説明する図である。ま
た、図11(a)〜(g)はそれぞれ図11(a)〜
(g)に対応する図である。図11(a)、(b)に示
すように圧力変動は無くても、図11(c)、(d)に
示すように振動が両方のダイアフラムを同様に変形させ
るため、図11(e)、(f)に示すように同様の電圧
が生じ、図11(g)に示すように減算処理で出力電圧
はゼロになる。
【0044】図12は本発明の圧力センサ10の雑音キ
ャンセル時の動作と出力を説明する図である。
【0045】図12(a)はフルイディック素子17の
導圧孔24aに連通している室36aと導圧孔24bに
連通している室36bの圧力変化を示す図で、横軸に時
間、縦軸に圧力を示す。図12(b)はフルイディック
素子17の導圧孔24aに連通している室37bと導圧
孔24bに連通している室37aの圧力変化を示す図
で、横軸に時間、縦軸に圧力を示す。また、図12
(c)〜(g)はそれぞれ図6(c)〜(g)及び図1
1(c)〜(g)に対応する図である。図11(a)、
(b)に示すようにダイアフラムの両側に同様に雑音が
伝わるため、図12(c)、(d)に示すようにダイア
フラムは変形せず(この時点で雑音は除去される)、図
12(e)、(f)に示すように電圧は生じない(した
がって、2個のダイアフラムの感度が異なっていても差
し支えない)ので、図12(g)に示すように出力電圧
も生じない。
【0046】
【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
フルイディック素子を使用する流体振動型流量計の圧力
センサであって、該フルイディック素子の流れの方向に
対して対称位置に設けられた導圧孔の圧力を識別できる
よう対向配置された気密性の高い2個の膜と、前記膜が
検出すべき流体振動に対し互いに逆向きに振れ且つ外乱
の振動に対しては同じ向きに振れるよう前記各膜の両側
と前記導圧孔との間に等長・同径に構成された導圧路と
を具備するので、次のような優れた効果が得られる。 (1)流量計測時の検出圧力には逆相に動き、外部から
の振動には同相に動き、減算演算処理で振動成分の除去
を行うことができる。 (2)膜を振動させることなく騒音を除去することがで
き、その結果、膜の生産時の個体差、経年劣化の個体差
の影響を受けない騒音除去能力が保証される。 (3)計測流量がゼロのときに管路内の騒音に対して膜
を動かさないようにして、膜の弾性劣化を抑制し、耐久
性を向上させることができる。 (4)流路を平面的にも構成できるので、構造が簡単で
加工もし易い。 (5)従来よりも導圧路を短くすることが容易なので測
定範囲を測定精度よりも優先する流量計を構成する場合
に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧力センサの概略構成を示す透視斜視
図である。
【図2】本発明の圧力センサの概略構成を示す断面図で
ある。
【図3】圧力センサの音の伝達係数と周波数との関係を
示す図である。
【図4】圧力センサの音の伝達特性と導圧路の長さとの
関係を示す図である。
【図5】ノイズレベルの許容上限と騒音に対するセンサ
の出力特性を示す図である。
【図6】外来騒音に対する出力特性を示す図である。
【図7】本発明の圧力センサを適用した流体流量計の概
略構成を示す図である。
【図8】本発明の圧力センサに接続される電子回路のブ
ロック図である。
【図9】本発明の圧力センサの流量計測時における動作
と出力をフルイディック素子17の内部におけるガスの
流れの状態と関連して説明する図である。
【図10】本発明の圧力センサの流量計測時における動
作と出力を説明する図である。
【図11】本発明の圧力センサの外部振動キャンセル時
の動作と出力を説明する図である。
【図12】本発明の圧力センサの雑音キャンセル時の動
作と出力を説明する図である。
【図13】従来の2膜式の圧力センサの概略構成を示す
図である。
【符号の説明】
10 圧力センサ 17 フルイディック素子 24a フルイディック素子の導圧孔 24b フルイディック素子の導圧孔 32a 膜またはダイアフラム 32b 膜またはダイアフラム 35a 圧力センサの圧力導入口 35b 圧力センサの圧力導入口

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フルイディック素子を使用する流体振動
    型流量計の圧力センサであって、該フルイディック素子
    の流れの方向に対して対称位置に設けられた導圧孔の圧
    力を識別できるよう対向配置された気密性の高い2個の
    膜と、前記膜が検出すべき流体振動に対し互いに逆向き
    に振れ且つ外乱の振動に対しては同じ向きに振れるよう
    前記各膜の両側と前記導圧孔との間に等長・同径に構成
    された導圧路とを具備することを特徴とする圧力セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記膜が圧電性フィルムであることを特
    徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
  3. 【請求項3】 前記膜がダイアフラムの両側が開放され
    ているマイクのダイアフラムであることを特徴とする請
    求項1または請求項2に記載の圧力センサ。
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