溫控開關(guān)核心部件

林培煜

[摘 要]據(jù)統(tǒng)計(jì)，電熱水壺不能正常使用的主要原因是溫控開關(guān)失效。而電熱水壺溫控開關(guān)的壽命主要取決于其關(guān)鍵部件——彈簧的壽命。迪艾斯電器廠提供數(shù)據(jù)顯示，溫控開關(guān)失效，80%以上都是彈簧形變彈力不足，無法彈開溫控開關(guān)上蓋，切斷電源。文章主要討論溫控開關(guān)的結(jié)構(gòu)，彈簧在溫控開關(guān)中所起的作用，并設(shè)計(jì)溫控開關(guān)核心部件——彈簧的壽命檢驗(yàn)儀，模擬測(cè)試電熱水壺正常使用的次數(shù)。該測(cè)試設(shè)備能夠省略人員參與環(huán)節(jié)，僅需要安裝測(cè)試樣品開關(guān)即可，在測(cè)試結(jié)束或是出現(xiàn)故障的情況下可以發(fā)出聲光指示，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工作的全自動(dòng)化，顯著降低測(cè)試人員的工作量，提升工作效率。

[關(guān)鍵詞]溫控開關(guān)；彈簧；壽命檢測(cè)儀；自動(dòng)化

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

1 引 言

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們?nèi)粘Ｉ钏降奶岣撸鞣N精美且實(shí)用的小家電開始備受歡迎，這使得小家電產(chǎn)業(yè)，尤其是電熱水壺產(chǎn)業(yè)迎來了良好發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)前，我國(guó)電熱水壺使用量已經(jīng)超過1億，是全球規(guī)模最大的電熱水壺生產(chǎn)地以及銷售地，而且仍然具備較大的發(fā)展空間。以廣東省為例，其電熱水壺年產(chǎn)量達(dá)到了4000萬個(gè)。然而通過最新抽查結(jié)果可知，在市場(chǎng)上銷售的電熱水壺達(dá)標(biāo)率僅為70%。同時(shí)消費(fèi)者在使用的時(shí)候，也經(jīng)常面臨壽命周期短的問題，往往在用過一段時(shí)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(guān)出現(xiàn)故障。溫控開關(guān)是電熱水壺最關(guān)鍵的部件，其使用壽命能夠?qū)﹄姛崴畨厥褂脡勖鼛碇卮笥绊憽Ｔ跓o法正常使用的電熱水壺當(dāng)中，有超過90%是由其溫控開關(guān)失效造成。而據(jù)迪艾斯電器廠統(tǒng)計(jì)，溫控開關(guān)失效，80%以上都是彈簧彈力不夠，無法通過彈開溫控開關(guān)上蓋來關(guān)掉電源。比如容量為1.5L的電熱水壺，目前市場(chǎng)銷售價(jià)格是40～100元，至于溫控開關(guān)銷售價(jià)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(dǎo)致電熱水壺?zé)o法使用，則顯然是浪費(fèi)資源。目前已經(jīng)有一些研究人員注意到這個(gè)問題，紛紛提出很多相關(guān)的研究方案，甘艷芬[1]研究和設(shè)計(jì)了溫控開關(guān)壽命測(cè)試儀，為整體開關(guān)壽命提供了一種解決方案，并獲得了實(shí)用新型專利。趙明明[2]針對(duì)差動(dòng)螺管式電感傳感器的一致性不好，缺少精確的檢測(cè)彈簧性能的手段，提出要研發(fā)具有高精密彈簧性能的測(cè)試儀，從而可以準(zhǔn)確測(cè)量差動(dòng)螺管式電感傳感器里面的彈簧倔強(qiáng)系數(shù)，然后評(píng)價(jià)彈簧性能。但前兩種分析并沒有針對(duì)電熱水壺的彈簧壽命展開研究和設(shè)計(jì)，不能很好地運(yùn)用于彈簧的壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。因此，本文研究設(shè)計(jì)電熱水壺溫控開關(guān)核心部件——彈簧壽命檢驗(yàn)儀，科學(xué)地測(cè)試彈簧壽命，找出其失效的原因，為改進(jìn)彈簧性能，延長(zhǎng)其壽命提供數(shù)據(jù)的支持。

2 溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)分解和工作過程

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

電熱水壺當(dāng)中的溫控開關(guān)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(shù)差異，進(jìn)而產(chǎn)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(huì)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)彈簧受力變形，產(chǎn)生彈力使上蓋尾部往下運(yùn)動(dòng)（圖2的2處），將正端子下壓，然后斷開正負(fù)連接端子原本連接著的觸點(diǎn)，切斷電路與電流，同時(shí)這種斷電無法自復(fù)位，所以斷電之后的電熱水壺不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)再加熱的情況。[3]電熱水壺的溫控開關(guān)動(dòng)作溫度范圍：65℃～85℃。

3 彈簧的壽命檢驗(yàn)儀設(shè)計(jì)方案

該測(cè)試設(shè)備分為三部分：電路部分、機(jī)電實(shí)施部分和底座安裝部分?？稍偌?xì)分為：電熱水壺、溫控開關(guān)、彈簧、單片機(jī)控制器系統(tǒng)、PC上位機(jī)、開關(guān)電源、機(jī)電實(shí)施機(jī)構(gòu)、溫控開關(guān)固定加熱及底板等部分組成。該方案能夠進(jìn)行電熱水壺溫控開關(guān)核心部件——彈簧的壽命檢測(cè)，并記錄和統(tǒng)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)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(jī)STC12C5A60S2（MCU）[4]，借助溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試電熱水壺水溫的收集，并輸送至MCU實(shí)施計(jì)算處理，然后顯示到3.2寸液晶屏上面。在出現(xiàn)故障或是測(cè)試次數(shù)達(dá)到1萬次之后，MCU可以控制溫控開關(guān)斷開，并發(fā)出相應(yīng)的聲光指示，同時(shí)在PC上記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.2 機(jī)電實(shí)施機(jī)構(gòu)

主要采用電磁鐵吸合去擠壓溫控開關(guān)上蓋，來控制溫控開關(guān)接通，斷開則由底部加熱系統(tǒng)加熱溫控開關(guān)，當(dāng)其雙金屬碟片受熱達(dá)到變形溫度時(shí)，雙金屬碟片發(fā)生突變，擠壓彈簧產(chǎn)生彈力斷開電源通路。該部分模擬真實(shí)水壺?zé)畬?shí)驗(yàn)，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(guān)電源、溫控開關(guān)加熱底板和機(jī)電實(shí)施機(jī)構(gòu)。工作流程如下：

首先將控制系統(tǒng)、開關(guān)電源、溫控開關(guān)加熱底板和機(jī)電實(shí)施機(jī)構(gòu)固定在底座部分，并把溫控開關(guān)固定在加熱裝置，同時(shí)連接相應(yīng)的連線。然后按下檢驗(yàn)指令，開始對(duì)溫控開關(guān)核心部件——彈簧的壽命進(jìn)行檢驗(yàn)。MCU控制系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壺中水溫，當(dāng)水溫低于90℃，控制機(jī)電實(shí)施機(jī)構(gòu)擠壓溫控開關(guān)前部，使其閉合，接通電熱水壺的電源回路，模擬真實(shí)的加熱燒水過程。在這個(gè)過程當(dāng)中，電熱水壺所接入的AC220V會(huì)經(jīng)由交流變壓器轉(zhuǎn)變成AC9V信號(hào)，在進(jìn)行了整流濾波后，變成DC11V，并分壓讀回給MCU控制系統(tǒng)，并記錄為一次有效過程。同時(shí)溫控開關(guān)底座加熱，一般底座加熱到90℃左右，達(dá)到或者超過溫控開關(guān)的雙金屬碟片的突變溫度，雙金屬碟片變形，通過擠壓開關(guān)上蓋，使彈簧受力，使上蓋受力恢復(fù)到關(guān)斷狀態(tài)，完成了一次開關(guān)閉合和關(guān)斷狀態(tài)，并為下一次過程做準(zhǔn)備。該檢驗(yàn)過程接入了電熱水壺1800W的電熱絲，模擬了一次真實(shí)使用過程。同時(shí)MCU系統(tǒng)把檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在3.2吋顯示屏顯示，并通過串口把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)PC，PC記錄數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。當(dāng)溫控傳感器檢測(cè)電熱水壺的水溫超過95°，將停止加熱和計(jì)數(shù)，直到水溫降到80°以下，重啟檢驗(yàn)。當(dāng)發(fā)生故障，如無法檢測(cè)有效溫控開關(guān)閉合狀態(tài)，或者斷開狀態(tài)以及測(cè)試超過10000次，則停止檢驗(yàn)，并發(fā)出相應(yīng)的聲光信號(hào)，并自動(dòng)在上位機(jī)PC[6]完成記錄。

4 結(jié) 論

在本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，通過該彈簧壽命檢驗(yàn)儀可以對(duì)電熱水壺溫控開關(guān)實(shí)際工作過程和工作條件進(jìn)行模擬。只要連接好相應(yīng)的部件與連線，則可以自動(dòng)模擬電熱水壺工作狀態(tài)，其不僅可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與累積開關(guān)接通次數(shù)，即彈簧使用壽命，同時(shí)還可以對(duì)壺內(nèi)水溫進(jìn)行控制，使其保持在既定溫度區(qū)間當(dāng)中，避免因水開揮發(fā)而導(dǎo)致干燒。該檢驗(yàn)儀已運(yùn)用在迪艾斯電器廠進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明，該檢驗(yàn)儀的使用，能夠?qū)嶋H模擬彈簧的實(shí)際使用壽命，為改進(jìn)彈簧彈性，延長(zhǎng)其壽命提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。因此，該檢驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)具有重要的研究?jī)r(jià)值和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘艷芬，鐘君柳.溫控開關(guān)壽命測(cè)試儀[P].中國(guó)專利：ZL2013 20048502.2，2013-06-26.

[2]趙明明.高精密彈簧性能測(cè)試儀[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，27（1）：106-110.

[5]溫錦輝.基于STC12單片機(jī)控制LED點(diǎn)陣書寫顯示屏[J].電子測(cè)試，2015（9）：40-42.

[6]張明超，高軍偉，官晟，等.基于單片機(jī)和上位機(jī)的溫濕光照在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（5）：33-35.