基于容积法的翻斗式自记流量计的制作工艺及应用

　　前言

　　到目前为止，水文科学的发展从起初的河流水位的简单观测，经历了河流流速及流量与管道流速及流量的机械观测，发展到现代的以电子计算机、遥感、遥测、传感器、数据采集器和核技术为核心的水位、流速与流量的数字观测阶段，已有5000多年的历史。早在公元前3000年埃及人即开始观测尼罗河水位;约公元1500年意大利的达·芬奇提出用浮标法制流速;公元1610年意大利的圣托里奥创制了第一台流速仪;公元1870年美国的埃利斯发明旋桨式流速仪。公元1885年美国的普赖斯发明旋杯式流速仪。经过多年的研究，人们在有压、高水头、大流量的水文监测方面积累了大量的经验，并取得了多项研究成果，极大的促进了水文学的发展;然而，在无压、低水头、小流量的水文监测方面，始终处于缓慢的发展阶段。比如，在坡面径流小区出口流量监测方面，目前还主要是延用过去的集水池法，以及多孔分流法，该方法不仅容易发生溢流现象，更重要的是，该方法很难对径流过程进行监测;在水面蒸发的测定方面，目前较为常用的方法主要是通过电测针法测定某时段蒸发器内的水位变化，来计算水面蒸发量，该方法无法实现恒定水面条件下水面蒸发量的测定，同时也很难实现短时段水面蒸发过程的连续自动监测。

　　1 翻斗式自记流量计的基本构成与工作原理

　　1.1 基本构成

　　翻斗式自记流量计从大的方面讲，主要由翻斗式流量计和计数器两部分构成。其中，翻斗式流量计由流量传感器、脉冲发生器、支撑框架、漏斗式受水口和可调减震螺栓等部分组成。流量传感器又主要由对称式翻斗室和转轴支架构成，其材质主要有铁制、铝制和塑料三种，如图1所示;脉冲发生器按工作方式分，主要有机械接触式和电子非接触式两种，前者由曲滑板和行程开关构成，如图2所示;后者由永久磁铁和干簧管构成，简称“磁簧开关”，如图3所示。计数器从大的方面讲主要有机械式和电子式两种，其中电子式计数器又可分为不带时间和带时间两种，详见表1所示。表1中给出的第一种计数器为液晶直显式累计数器，无时间对应关系，其价格在3种中最便宜;后两种都有时间参数，不同的是前一种为单体式，操作较简单，但内存较小，后一种为组合式，内存相对较大，但一般需与其它传感器一起使用，这样可以降低仪器的使用费用。

　　1.2 工作原理

　　容积式流量计的基本原理是，利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量及过程。翻斗式自记流量计作为容积式流量计的一种，两者的基本原理是相同的，其具体的工作原理是，被测水流经过漏斗式受水口进入流量传感器的一个“翻斗室”内，当“翻斗室”内的水达到一定量时，由于流量传感器自身和一定水量所产生的合力矩方向的瞬时变化，流量传感器将自动翻转，使被测水流注入另一个“翻斗室”，从而保证水流的连续性;同时，在流量传感器翻转的过程中，安装在与流量传感器同一转轴上的曲滑板(或永久磁铁)将挤压(或吸引)一次安装在支撑框架相应部位的行程开关(或干簧管)，并在短时间内恢复原状，即产生一个电脉冲信号，该电脉冲信号可通过导线传输到计数器(1、2、3)中，而计数器可以根据预先编好的程序，以不同的方式将电脉冲信号记录下来。其中，电子式计数器(1)以累加的形式记录，并且将某时刻的总数直接输出在液晶显示屏上，只是无时间对应关系;事件记录仪(2)也是以累加的形式记录，不同的是它将每一次产生电脉冲信号的时间一同储存在单片机的寄存器内，事后可以利用计算机通过专用软件(Boxcar)将数据取出，进行分析;CR10X 型的数据采集器(3)有2个通道，可以用来采集脉冲信号，它的记录方法是每隔一定时间就将这段时间内收到的脉冲总数记录下来。