【摘要】暴雨是中国主要气象灾害之一，其危害主要包括洪灾和涝渍灾。暴雨是一种影响严重的灾害性天气，因为暴雨在短期内大量聚集，而城市中的排水系统不能及时的将雨水排走，使得大量雨水迅速向城市低洼处汇聚，从而导致各种惨剧。因此，为了给城市建设和工农业生产等提供有力的依据，对暴雨雨量进行较准确的测量，是十分必要的。
【关键词】孔口出流;流量测量;非连续流量
1.国内外研究现状
降水量是一定时间内，降落到水平面上，假定无渗漏，不流失，也不蒸发，累积起来的水的深度，是衡量一个地区降水多少的数据。降雨量是一种流量，因此，对降雨量的测量实际上是一种对流量的测量。但是普通的流量计（例如现有的电磁流量计，压差流量计，多相流量计，超声流量计，科里奥利流量计等）只能针对连续流量进行测量。而雨水是一种变化的量，它时大时小，时下时停，属于非连续流量，因此，需要特殊的方法来对它进行较为精确地测量。
雨量计是用来测量降雨量多少的测量仪器。目前国内外的雨量测量仪器种类主要有雷达式雨量计、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、电容式雨量计、超声波式雨量计、称重式雨量计等。而我国气象、水文部门使用的雨量计一般多为翻斗式雨量计。
翻斗式雨量计是我国水文部门现普遍采用的计量仪器。翻斗式雨量计在降雨时由上方的承雨口承接降水，经引水管导入翻斗，当降雨量达到雨量计的翻斗容量时，翻斗翻转，带动磁钢翻转，触发干簧管开关，产生一个脉冲信号送入数据采集器，采集器接受脉冲信号，进行累计，如此不断重复，从而达到连续、长期的测量、记录降水过程的目的。翻斗式雨量计的不足之处在于当雨量较大时，翻斗机器结构在反转过程中承接不到下落的雨水，导致雨量测量结果比实际小，并且暴雨的冲击力会导致翻斗结构提前翻转，因此降雨越强，误差越大。此外，翻斗内的雨水和泥沙残留也会影响翻斗的计量误差。更加需要注意的是，翻斗式雨量计的安装、调试、检定的操作过程也十分繁琐。翻斗雨量传感器现场安装时需要精确地调整仪器基座、器口水平、调整轴承付的游隙和翻斗倾角，其中，倾角的调整是最困难的，翻斗倾角的微小变化都会造成翻斗感量的变化，从而产生调试的人为误差[25]。
2.孔口出流原理介绍
在容器壁上开个孔，液流经孔口流出的水力现象成为孔口出流。
图2.2 薄壁孔口出流
图2.3 厚壁孔口出流（管嘴出流）
如上图所示，观察其水流情况时，可见水流从各方趋近孔口，由于存在着惯性，水流不可能在空口附近作直角拐弯，其流线只能渐渐弯曲，，使刚流过孔口的水股断面缩小。经实验发现，在距容器内壁约d/2处，收缩完成，此时流线相互平行，符合渐变流条件，如上图所示c-c断面。该断面也称收缩断面，用Ac表示。
设孔口的面积为A，收缩断面的面积为，则=<1，式中为收缩系数。于是由孔口出流原理可知孔口的出流量为
（2-1）
式中=为孔口出流的流量系数，为流速系数，可由实验获得。式（2-1）即为小孔口自由出流的流量公式。
2.1 孔口的非恒定出流
当孔口出流时，如果水箱中的水量能够得到源源不断的补充，从而使孔口的水头保持不变，此时的出流称为孔口的恒定出流。反之，当液体通过孔口注入容器或从容器中泄出时，其有效水头随时间改变，称为孔口变水头出流，也称孔口的非恒定出流。这种出流的流速、流量都随时间改变的流量，属非恒定流。给水工程中水池的注水和放空，水床的放空，船闸闸室的充水及放水等均属变水头出流之例。一般地，当容器的面积较大或孔口的面积较小时，容器内液面高程变化缓慢，则把整个非恒定流过程分成很多微小时段，在每一个微小的时间段内，认为液面的高程不变，孔口的恒定流公式仍然适用，这样就把非恒定流的问题转化为恒定流的问题来处理。变水头出流主要被用于计算泄空和充满流体承载物所需的时间，或根据出流时间反求泄流量和液面高程变化情况。
2.2 管嘴出流
在孔口上连接长为3～4倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象成为管嘴出流，管嘴出流属于非薄壁出流。
管嘴出流的流量公式与薄壁孔口出流的的流量公式相同。
（2-2）
但是由于管嘴出流没有收缩断面，因此=1。因此，
（2-3）
由于薄壁小孔口的断面系数=<1，因此。所以，在相同水头作用下，相同直径管嘴出流的过流能力比孔口出流强。
2.3 液压传感器测量高度原理[12]
将液压传感器置入到被测容器内被测液体底部时，传感器所承受的压强为所在位置大气压与容器内液体产生的压强之和。假设液压传感器所在位置的大气压为P，则液压传感器所测压强P为：
（2-4）
式中：为液体密度;h为液位高度;g为重力加速度常数。则由上式可知，容积内被测液体的高度h为：
（2-5）
3.设计方案
本设计利用流体力学中的孔口出流原理设计了一种针对暴雨测量的新方法。由于雨水是变化的量，属于非恒定流，并且由于管嘴出流的过流能力较强，因此本设计采用了非恒定流管嘴出流原理。其基本原理图如下。
图3.1 装置原理图
图中，装置下方为压力传感器，Qin为装置入水口，Qout为装置出水口。当压力传感器感应到水位高于A点时阀门开启，开始放水;当压力传感器感应到水位低于B点时，阀门关闭，停止放水。
由上图可知，流入流量计的水量减去流出流量计的水量就等于流量计中剩下的水量，即：
（3-1）
式中，Qin为流入测量的流量，即被测流量;Qout为装置流出流量;H为液位高度;S 为测量装置管径的横截面积。
由管嘴出流流量公式可知：
（3-2）
令，其中A为孔口面积，g为重力加速度常数，需实验测定，则式（3-2）化为：
（3-3）
由上式可知，孔口流出量与液位高度成正比。
由式（3-2）、式（3-3）得：
（3-4）
式中，K值为仪表流出系数，只要确定出K值并对时间进行积分就可求出Qout与Qin。
4.实施方案
本设计将孔口出流原理与液压传感器原理相结合，拟设计一种基于孔口出流原理的暴雨雨量测试方法。
硬件电路以单片机为主控制器，还包括液压传感器测量模块、A/D转换模块、阀门控制模块、键盘和显示模块。
其软件系统软件开发平台为WinAVR，开发语言为C语言。为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用模块化、结构化的程序设计方法。软件设计根据功能模块划分的程序主要有主程序、A/D转换子程序、LCD显示子程序、键盘扫描子程序。
系统初始化后，进入键盘扫描状态，当有按键按下时，执行按键响应，否则单片机控制模数转换芯片进行模数转换，把测量的结果输入单片机，由单片机判断是否需要开启阀门放水。单片机通过两次阀门开启时间间隔长短与放水量来判断降雨强度并计算其具体参数，并由LCD显示出来，以此不断循环的对雨量进行实时测量。
5.结论
本设计针对翻斗式雨量计存在的问题，设计了一种基于孔口出流原理的暴雨雨量测试方法，它能避免翻斗式雨量计在翻动过程中造成的雨量损失，能在任何雨强大小的情况下实现对雨量的自动测量，并且可以通过单片机将数据记录保存并进行通信传输。此外，通过实验确定各种流体出流系数后，本设计还可用于各种非连续流体的有效测量，而且精度较高。
参考文献
[1]张秀再.一种基于液压传感器的雨量计[J].计量技术，2013（4）.
[2]漆随平.一种基于压力敏感元件的降雨传感器[J].传感技术学报，2012，25（6）.
[3]陈辉，谭永红，党选举.结构型小管径小流量虚拟传感器研究，2004，23（4）.
