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[1]。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。
表1 计数器一览表
序号名称型号特点产地价格（元）备注1电子式累计数器SC3J不带时间的累计数中国110液晶显示2事件记录仪HOBO脉冲产生的时间序列美国800寄存3数据采集器CR10x单位时间内的脉冲数美国20000含有2个脉冲通道,寄存
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。
2 翻斗式流量计的制作工艺
如上所述，翻斗式流量计主要由流量传感器和脉冲发生器两部分构成。为尽量扩大翻斗式自记流量计的应用范围，且不降低其测定精度，在制作前，一般要对被测水流进行分析，主要包括水流流量的变化范围及主要变化范围，从而确定流量传感器单个翻斗室的容积大小，这些会最终影响到翻斗式自记流量计的外观大小与形状。但是，有关翻斗式自记流量计的制作工艺却不会因其有所不同。下面就其中一种来说明翻斗式流量计的制作过程。其制作工艺主要包括所需原材料和工具的准备，支撑框架的组装，流量传感器的制作，脉冲发生器的制作，可调减震螺栓的制作，以及翻斗式自记流量计的标定等。
2.1 所需原材料
货架三角铁及螺丝、UPVC硬管（50mm）、管卡、塑料盖板（118mm）、改性丙烯酸酯胶粘剂（如哥俩好、拉不开等）、转轴支架、永久磁铁（强力）、干簧管、铝条（9×1×0.1cm）、电缆。
2.2 所需工具
剪刀、螺丝刀、钳子、切割机、电钻、万用表等。
2.3 支撑框架的组装
将货架三角铁截成长、宽、高分别为25cm、15cm、20cm的小段各4份，然后用螺丝钉将其组装起来即可。
2.4 流量传感器的制作
首先用切割机将UPVC给水管（50mm）截成长25cm的小段，再用记号笔沿着管的纵向在管的上表面划出两道间距为2cm的平行线，用切割机沿着两条平行线从管的两端分别向中间切割至12cm，然后横着将两个小窄条割掉。
其次将管两端的正下部作为起点，将管中间的正上部的四个角作为终点，分别划出四条平滑曲线，然后用切割机沿着平滑曲线割开。
再次用剪刀将塑料盖板（118mm）剪成直径为50mm的圆，然后用改性丙烯酸酯胶粘剂（如哥俩好、拉不开等）将剪好的塑料圆板粘合在管的中间，此时对称式翻斗室做成，如图4所示。
将管卡套在对称式翻斗室的中间，管卡的脚爪向下，并通过管卡两边的固定螺丝将对称式翻斗室固定。
用切割机将管卡的圆形脚爪切割成四方形，并使脚爪的端部略大一些；用预热的铁棒在转轴支架的尼龙圆辊的表面打孔，其大小比管卡脚爪的大小略大一些；将管卡的脚爪插到预先打好孔的转轴支架上，流量传感器的实际效果见图5所示。
该制作方法的优点在于：第一，原材料为给排水市场上常见的各种型号的UPVC硬管和管卡，以及小型运动机械市场上常见的各种型号的轴辊支架，选材科学、不存在锈蚀，来源充足、价格实惠，其次；第二，制作工艺简单，特别是制作过程中借用了切割岩石的切割机，岩石切割机的使用大量简化了其制作过程；第三，制作过程中产生的废弃料少，资源利用率高；第四，对称式翻斗室、管卡、轴辊支架三部分之间采用活动式连接，有利于调整和更换。
2.5 可调减震螺栓的制作与安装
可调减震螺栓起着调节流量传感器容积大小和保护流量传感器的双重目的，在保证翻斗式流量计正常运行和提高测量精度方面具有重要作用。其制作方法如下：首先，在螺母的外侧面垂直焊接上两根铁棍（直径4mm、长4cm），铁棍的一端与螺母齐平，并呈对称状态，两根铁棍的另一端焊接在一块铁板上（5×5×0.1cm），并在铁板上用电钻打孔（直径4mm），用于固定；其次，将与螺母配套的长螺丝钉（长度在4cm）安装到螺母上；再次，用打孔器在橡皮塞横截面上打孔，深度为橡皮塞高度的2/3；最后，将打好孔的橡皮塞安装在螺丝钉的首部，整个制作过程结束，如图6所示。可调减震螺栓的安装非常简单，通过预先在铁板底座上打好的孔，使用安装螺丝将其固定在需要位置即可。
2.6 脉冲发生器的制作、安装与调试
脉冲发生器是翻斗式自记流量计顺利完成监测任务的中心环节与关键部件。主要包括永久磁铁、干簧管的固定与安装，以及两者相对位置的调试。首先将铝条用剪刀截成长宽分别为9×1cm的长方形两个，同时两个均在距一端0.5cm处，用电钻打孔（6mm），并用钳子弯成L型，长边长8cm，短边长为1cm，孔位于短边上；另外，将其中的一个铝条在距同一端部4cm处，再弯90度；将永久磁铁用改性丙烯酸酯胶粘剂（如哥俩好、拉不开等）粘在L型铝条长边的端部，并将做好的粘有永久磁铁的铝条通过螺丝固定在两个半圆形管卡的结合部；将两股电缆的其中一股，在距端部两厘米处，弯成180度，再将干簧管的两端分别插入两股电缆的每股的端部，然后将安有干簧管的电缆端部用胶带固定在另一铝条的一端，最后将固定有干簧管的铝条，通过螺丝钉固定在支撑框架的正面上部角铁的中间位置，详见图7所示。永久磁铁与干簧管固定、安装完毕后，将电缆的另一端接在电子式累计数器（SC3J）的两个触点上，手工翻转流量传感器，在永久磁铁经过干簧管时，注意观察电子式累计数器的显示屏，若当每次经过时，显示屏的数字加1，说明可以，否则，需要条整永久磁铁与干簧管的位置，直到满足条件为止。
2.7 翻斗式自记流量计的标定
主要目的就是确定单个翻斗室的容积大小，以及通过调整可调减震螺栓，使两个翻斗室的容积大小相同。该过程非常重要，关系到翻斗式自记流量计的运行质量、测定范围及精度。标定过程如下：首先使可调减震螺栓处于流量传感器可以自动翻转的最低位置，确定出翻斗室的可能最大容积；其次根据测定所需的范围与精度在可能最大容积范围内确定实际的翻斗室容积大小；再次通过注射器和滴定管在一个翻斗室内缓慢注水，待流量传感器自动翻转时，立即停止加水，并计算加水量，如该值不等于所需大小，调整可调减震螺栓，再进行加水、计算、调整，直至加入的水量等于所需大小；最后，通过相同的方法对另一翻斗室的容积进行标定。
3 应用
3.1 坡面径流小区的径流监测
目前有关坡面径流小区出口流量的监测主要有两种方法，即集水池法和多孔分流法，其实两种方法在本质上是相同的，不同点在于后者所能监测到的最大径流量较前者大一些而已；同时，两种方法主要用于某场降雨的径流总量的监测，要想测定其过程，需要有人在降雨过程中，通过测定集水池内的水位变化来完成；另外，这两种方法还存在两个关键问题，即容易发生溢流现象和枯枝落叶堵塞分流孔的现象，从而经常使得在发生暴雨径流时，很难难道较为完整的试验数据。翻斗式自记流量计通过流量传感器的重复性的定量排，实现了连续流体的等量分割，不仅能够对径流总量进行准确的测定，同时，还可以实现无人坚守情况下径流过程的自动监测。
3.2 小流域地下裂隙潜流的监测
小流域地下裂隙潜流作为小流域水循环的重要组成部分，在太行山花岗片麻岩区的大部分时间里普遍存在，但是，潜流的流量一般都较小。以中国科学院太行山山地生态实验站西侧的小流域（0.026km2）为例，地下裂隙潜流常年在0~2001/h之间变化，即使在发生特大暴雨时，潜流最大峰值也未超过10001/h；同时，由于小流域特殊的水文地质结构，小流域出口处的地下裂隙潜流的水位-流量关系不明显。这些无压、低水头、小流量的水流特性决定了传统的流量测定方法（堰流法、水表法、集水池法等）很难对地下裂隙潜流进行自动、连续、准确的监测。翻斗式自记流量计以全新的工作原理，较好的完成了地下裂隙潜流的测定[2]。
3.3 水面蒸发的监测
目前，测量水面蒸发的方法，从大的方面可以分为器测法和经验公式法两种，其中在器测法中，基本上都是通过测定水位来计算水面蒸发的，从而使得短时段水面蒸发量及动态变化过程观测误差较大，同时难以揭示水面蒸发与水文气象要素之间的关系，这是影响短时段水面蒸发量计算精度的重要因素之一。另外，通过量测水位的变化来计算水面蒸发的传统方法，无法进行稳定水深条件下水面蒸发的观测。随着现代水文学的不断发展与需要，研究与开发自动测定短时段、稳定水深条件下，水面蒸发量的高精度方法与仪器，尽快提高短时段水面蒸发量的观测精度，业已成为现代水文学所面临的主要问题之一，该问题的解决有助于促进短时段水面蒸发计算方法的迅速发展。
本作者于2002年，根据动态水量平衡原理，利用翻斗式自计量水技术[2]，自行设计了一套水面蒸发自动观测系统，首次实现了静水面（水位保持不变）条件下，短时段水面蒸发过程的自动测定，该方法改变了通过测定蒸发器（池）内的水位的变化来计算水面蒸发的传统思路；同时，该方法在自动测定短时段水面蒸发量及变化过程方面，具有独特的优势和较高的精度[4]。
4 小结
随着现代水文学的不断丰富与发展，以及微电子技术在水文学中的不断应用，数字水文将迎来一面广阔的天地，基于容积法的翻斗式自记流量计集自动、数字于一身，在无压、低水头、小流量的水文监测中发挥着越来越重要的作用。本文在分析翻斗式自记流量计基本构成与工作原理的基础上，详细介绍了翻斗式自记流量计的制作工艺。制作所需原材料和工具均为市场中有关行业常见的商品，很容易买到；同时为了使一般科研人员能够掌握其制作工艺，在所阐述的制作过程中，各组成部分之间全部采用可装卸式，并尽量做到了过程的简化。
参考文献
[1]任树梅、朱仲元、张文萍、王丽学.工程水文学[M].北京：中国农业大学出版社，2001
[2]曹建生、张万军、新滕静夫.翻斗式自记量水技术[J].中国农村水利水电.2001.（8）：56~57
[3]曹建生、张万军、唐常源.太行山典型小流域潜流动态变化研究[J].水利学报.2002，（6）：91~95
[4]曹建生、韩淑敏、张万军、唐常源.基于动态水量平衡的水面蒸发自动测定系统及其应用.水文.2003，23（3）：29~33
