據華同旭博士研究，大致是在漢武帝時期。漏刻正式作為天文計時儀器，也是始於這個時期。《後漢書·律曆誌》曾經提到：“孔壺為漏，浮箭為刻，下漏數刻，以考中星，昏明生焉。”這裏所說的，就是浮箭漏在天文工作中的應用。早期的漏刻，無論是沉箭漏，還是浮箭漏，它們的計時精度都不會太高。即以浮箭漏而言，時間流逝通過它的受水壺裏水位變化反映出來，而受水壺水位變化與泄水壺的漏水速度有關。泄水壺漏水速度決定於其內部水位的高低，水位高時流速大，水位低時流速慢，這就導致了受水壺中木箭上升速度的不均勻。要解決這一問題，剛以把木箭上的時刻標誌做成不均勻的，但這又需要有其他高精度計時儀器的校驗，在漢代，要做到這一點，並不容易。另一種方法，是不斷給泄水壺添水，使其水位能大致保持在某一高度，以此減少其排水速度的變化。這種通過精心管理來提高計時精度的做法，當然是必要的，也能收到立竿見影之效，但其提高的幅度，卻是有限度的。要想大幅度改善這種局麵，需要在結構上做出突破。這種突破的標誌，是多級漏壺的誕生。
最早的多級漏壺是二級漏壺，由兩個泄水壺和一個受水壺組成。東漢著名科學家張衡(公元78-139年)曾經這樣描寫當時二級漏壺的使用情況：“以銅為器，再疊差置，實以清水，下各開孔。以玉虯吐漏水入兩壺，左為夜，右為晝。(唐代徐堅《初學記》)這段話表明，這套漏壺用銅製成，有兩個泄水壺，它們分別在底部開口，第一個泄水壺流出來的水流入第二個泄水壺，第二個泄水壺再排給受水壺。所謂“再疊差置”，是指兩個漏壺，像台階一樣重疊錯開放置。玉虯就是用玉做的排水管，管的出口處雕刻成龍首形狀，泄水壺的水通過玉虯排出。由於晝夜長短不一，幹脆讓受水壺也有兩套，分別在白晝和黑夜使用。從這段話可以看出，至遲在東漢，二級漏壺已經發明出來了。
使用多級漏壺可以大幅度提高計時精度，其原因在於次一級泄水壺可以大大減輕上一級泄水壺水位變化對計時結果的影響。即以二級漏壺為例，假定泄水壺壺口的橫截麵積是S，第一級泄水壺在單位時間內泄水量的變化為△V，則在第二級泄水壺流量不變的前提下，其相應的水位變化為△h=△VS顯然，在出水口不變情況下，泄水壺壺體口徑愈大，其內部水位受前級漏壺流量變化的影響就愈小。如果△V=1厘米3，S=1256厘米2(相當於口徑為40厘米的圓壺)，則△h≈0.0008厘米，即第一隻泄水壺每秒鍾泄水量變化1立方厘米時(這種變化幅度相當大)，第二隻泄水壺中水位高度變化相應地隻有0.0008厘米，可謂微乎其微。如果考慮到第二隻泄水壺中水位的變化還要導致其本身泄水速度的變化，則這種水位變化還要更小。因此，第二級漏壺的存在，大大削弱了第一級泄水壺水位變化對最終流速的影響，這對於提高漏刻的計時精度，顯然是非常有利的。
二級漏壺可以大幅度提高漏刻計時精度，這一現象促使古人設法進一步增加漏壺的級數，於是就出現了有三隻泄水壺連用的漏刻。晉代孫綽的《漏刻銘》最早記載了三級漏壺的存在，孫綽寫道：“累簡三階，積水成淵，器滿則盈，承虛赴下。”所謂“累筒三階”，就是指的三隻連用的圓形泄水壺。到了唐代，呂才又將連用的泄水壺數增加到四個，從而導致了四級漏壺的誕生。楊甲的《六經圖》，也記載了呂才漏壺。
實際上，漏壺的級數沒有必要一再增加。華同旭曾經做過多級漏壺的模擬實驗。他的實驗表明，對於二級漏壺，隻要調理得法，其日誤差可以保持在20秒以下。這樣的計時精度，對於古人的社會生活而言，足夠用了。由此，華同旭在《中國漏刻》一書中指出：“二級補償式浮箭漏的計時精確度已足夠高，一般可不必再增加補償級數。從穩定角度看，至多增為三級，四級以上完全沒有必要。”
另一方麵，華同旭在實驗中也發現，要想使多級漏壺高精度運行，關鍵在於調壺，要合理確定各級漏壺的初始水位和初級漏壺加水時間間隔。這一過程非常複雜，需要有長期經驗的積累。為此，古人又對如何簡捷直觀地保持水位穩定做了不懈探討，這一探討的成果就是燕肅蓮花漏的發明。
蓮花漏采自《古今圖書集成·曆法典》卷九十九。之所以叫蓮花漏，是因為其受水壺的壺蓋上有金色的蓮花裝飾物。蓮花形飾物的中心有孔，刻有時刻標誌的木箭通過該孔放人壺內，隨壺內水麵的升降商沿孔上下移動。從結構上看，燕肅蓮花漏類似一套二級漏壺，它比普通二級漏壺的改進之處在於，在第二級泄水壺(亦即圖中所謂的“下櫃”)之側，設有“銅節水小筒、竹注簡、減水盎”三物。圖中缺少“銅節水小筒”，該筒應上接下櫃，下連“竹注簡”。上櫃的水通過“渴烏”(即虹吸管)引入下櫃，下櫃的水通過第二隻“渴烏”引入箭壺。在設計上，上櫃“渴烏”的口徑較大，於是在相同時間內由上櫃流入下櫃的水要比下櫃流出的多。這樣到一定時間，下櫃多餘的水就會從櫃沿特別開設的水槽中漫流出來，漫流的水由“銅節水小筒”經“竹注水簡”流入“減水盎”。這就是名嘈後世的蓮花漏的漫流係統。漫流係統的建立，對於保持下櫃水位穩定，提高計時精度，起到了重要作用。因此這套設計，廣泛為後世漏壺所采納。