溫控開關核心部件

林培煜

[摘 要]據統計，電熱水壺不能正常使用的主要原因是溫控開關失效。而電熱水壺溫控開關的壽命主要取決于其關鍵部件——彈簧的壽命。迪艾斯電器廠提供數據顯示，溫控開關失效，80%以上都是彈簧形變彈力不足，無法彈開溫控開關上蓋，切斷電源。文章主要討論溫控開關的結構，彈簧在溫控開關中所起的作用，并設計溫控開關核心部件——彈簧的壽命檢驗儀，模擬測試電熱水壺正常使用的次數。該測試設備能夠省略人員參與環節，僅需要安裝測試樣品開關即可，在測試結束或是出現故障的情況下可以發出聲光指示，實現運行工作的全自動化，顯著降低測試人員的工作量，提升工作效率。

[關鍵詞]溫控開關；彈簧；壽命檢測儀；自動化

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.09.175

1 引 言

伴隨社會經濟的發展以及人們日常生活水平的提高，各種精美且實用的小家電開始備受歡迎，這使得小家電產業，尤其是電熱水壺產業迎來了良好發展機遇。當前，我國電熱水壺使用量已經超過1億，是全球規模最大的電熱水壺生產地以及銷售地，而且仍然具備較大的發展空間。以廣東省為例，其電熱水壺年產量達到了4000萬個。然而通過最新抽查結果可知，在市場上銷售的電熱水壺達標率僅為70%。同時消費者在使用的時候，也經常面臨壽命周期短的問題，往往在用過一段時間之后，盡管外觀無損，但是卻無法正常使用，其原因大部分是溫控開關出現故障。溫控開關是電熱水壺最關鍵的部件，其使用壽命能夠對電熱水壺使用壽命帶來重大影響。在無法正常使用的電熱水壺當中，有超過90%是由其溫控開關失效造成。而據迪艾斯電器廠統計，溫控開關失效，80%以上都是彈簧彈力不夠，無法通過彈開溫控開關上蓋來關掉電源。比如容量為1.5L的電熱水壺，目前市場銷售價格是40～100元，至于溫控開關銷售價格則不超過8元，更換彈簧僅僅0.1～0.2元。若是受到彈簧失效的影響導致電熱水壺無法使用，則顯然是浪費資源。目前已經有一些研究人員注意到這個問題，紛紛提出很多相關的研究方案，甘艷芬[1]研究和設計了溫控開關壽命測試儀，為整體開關壽命提供了一種解決方案，并獲得了實用新型專利。趙明明[2]針對差動螺管式電感傳感器的一致性不好，缺少精確的檢測彈簧性能的手段，提出要研發具有高精密彈簧性能的測試儀，從而可以準確測量差動螺管式電感傳感器里面的彈簧倔強系數，然后評價彈簧性能。但前兩種分析并沒有針對電熱水壺的彈簧壽命展開研究和設計，不能很好地運用于彈簧的壽命數據統計和分析。因此，本文研究設計電熱水壺溫控開關核心部件——彈簧壽命檢驗儀，科學地測試彈簧壽命，找出其失效的原因，為改進彈簧性能，延長其壽命提供數據的支持。

2 溫控開關結構分解和工作過程

在此應用的是迪艾斯電器廠生產的溫控開關DIC-100作出說明，其中包括了塑料上下蓋、雙金屬碟片、正負連接端子以及彈簧等。實物分解具體如圖1所示。

電熱水壺當中的溫控開關傳感部件為碟形雙金屬片，具體工作原理是：在溫度升高的情況下，因雙金屬碟形片的兩面存在熱膨脹系數差異，進而產生不同的變形力。如果溫度升高至碟形片變形臨界值，則碟形片會突跳，在杠桿原理作用下，通過彈簧彈力可以將上塑料蓋頭部（圖2的1處）推起，并往上運動，同時彈簧受力變形，產生彈力使上蓋尾部往下運動（圖2的2處），將正端子下壓，然后斷開正負連接端子原本連接著的觸點，切斷電路與電流，同時這種斷電無法自復位，所以斷電之后的電熱水壺不會出現自動再加熱的情況。[3]電熱水壺的溫控開關動作溫度范圍：65℃～85℃。

3 彈簧的壽命檢驗儀設計方案

該測試設備分為三部分：電路部分、機電實施部分和底座安裝部分。可再細分為：電熱水壺、溫控開關、彈簧、單片機控制器系統、PC上位機、開關電源、機電實施機構、溫控開關固定加熱及底板等部分組成。該方案能夠進行電熱水壺溫控開關核心部件——彈簧的壽命檢測，并記錄和統計相關實驗數據。其結構如圖7所示。

3.1 電路部分

該部分的智能控制核心主要是單片機STC12C5A60S2（MCU）[4]，借助溫度傳感器DS18B20實現對測試電熱水壺水溫的收集，并輸送至MCU實施計算處理，然后顯示到3.2寸液晶屏上面。在出現故障或是測試次數達到1萬次之后，MCU可以控制溫控開關斷開，并發出相應的聲光指示，同時在PC上記錄相關的數據。

3.2 機電實施機構

主要采用電磁鐵吸合去擠壓溫控開關上蓋，來控制溫控開關接通，斷開則由底部加熱系統加熱溫控開關，當其雙金屬碟片受熱達到變形溫度時，雙金屬碟片發生突變，擠壓彈簧產生彈力斷開電源通路。該部分模擬真實水壺燒水實驗，電壓為AC220V，加載功率為1800W。

3.3 底板部分

主要是固定控制器、開關電源、溫控開關加熱底板和機電實施機構。工作流程如下：

首先將控制系統、開關電源、溫控開關加熱底板和機電實施機構固定在底座部分，并把溫控開關固定在加熱裝置，同時連接相應的連線。然后按下檢驗指令，開始對溫控開關核心部件——彈簧的壽命進行檢驗。MCU控制系統通過溫度傳感器DS18B20實時監測水壺中水溫，當水溫低于90℃，控制機電實施機構擠壓溫控開關前部，使其閉合，接通電熱水壺的電源回路，模擬真實的加熱燒水過程。在這個過程當中，電熱水壺所接入的AC220V會經由交流變壓器轉變成AC9V信號，在進行了整流濾波后，變成DC11V，并分壓讀回給MCU控制系統，并記錄為一次有效過程。同時溫控開關底座加熱，一般底座加熱到90℃左右，達到或者超過溫控開關的雙金屬碟片的突變溫度，雙金屬碟片變形，通過擠壓開關上蓋，使彈簧受力，使上蓋受力恢復到關斷狀態，完成了一次開關閉合和關斷狀態，并為下一次過程做準備。該檢驗過程接入了電熱水壺1800W的電熱絲，模擬了一次真實使用過程。同時MCU系統把檢驗數據在3.2吋顯示屏顯示，并通過串口把數據傳給上位機PC，PC記錄數據并分析結果。當溫控傳感器檢測電熱水壺的水溫超過95°，將停止加熱和計數，直到水溫降到80°以下，重啟檢驗。當發生故障，如無法檢測有效溫控開關閉合狀態，或者斷開狀態以及測試超過10000次，則停止檢驗，并發出相應的聲光信號，并自動在上位機PC[6]完成記錄。

4 結 論

在本次設計實驗中，通過該彈簧壽命檢驗儀可以對電熱水壺溫控開關實際工作過程和工作條件進行模擬。只要連接好相應的部件與連線，則可以自動模擬電熱水壺工作狀態，其不僅可以自動統計與累積開關接通次數，即彈簧使用壽命，同時還可以對壺內水溫進行控制，使其保持在既定溫度區間當中，避免因水開揮發而導致干燒。該檢驗儀已運用在迪艾斯電器廠進行測試，實驗表明，該檢驗儀的使用，能夠實際模擬彈簧的實際使用壽命，為改進彈簧彈性，延長其壽命提供科學的數據支持。因此，該檢驗儀的設計具有重要的研究價值和良好的社會經濟效益。

參考文獻：

[1]甘艷芬，鐘君柳.溫控開關壽命測試儀[P].中國專利：ZL2013 20048502.2，2013-06-26.

[2]趙明明.高精密彈簧性能測試儀[D].鄭州：華北水利水電大學，2013：1-49.

[3]百度百科.電熱水壺[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=PZC766jN8-YnBi4E-ahcH23Wwd5wmg，Dj_Dr7UgjCEz_zC7UoMbxqZoSat3Mjo214nlqR5zqKghrN8Apl-SPSK.

[4]羅浩，劉尚武，王書易，等.基于 STC12 C5 A60 S2多路溫度監控系統設計[J].信陽師范學院學報：自然科學版，2014，27（1）：106-110.

[5]溫錦輝.基于STC12單片機控制LED點陣書寫顯示屏[J].電子測試，2015（9）：40-42.

[6]張明超，高軍偉，官晟，等.基于單片機和上位機的溫濕光照在線監測系統[J].工業儀表與自動化裝置，2011（5）：33-35.