配电柜及其在线温度监测系统的制作方法

1.本发明涉及配电柜的安全监测领域，尤其是配电柜及其在线温度监测系统。


背景技术：

2.随着科技的快速发展，电力设备的需求与日俱增。配电柜是电力系统的一个重要设备，能够及时开断电力线路，防止因线路故障引起的安全事故，其结构简单且易操作，被广泛应用于开关站、小区配电室、箱式变电站内。配电柜一般工作在高电压、大电流和强磁场环境中，其内部触点的结合处因表面氧化、腐蚀、老化等原因导致电阻增大，从而造成局部温度升高，而热量不断积累，存在安全隐患。由于局域温度是一个重要的变化参数，对其温度进行在线监控能够避免因高温故障引起火灾事故，保证整个电力系统的安全可靠运行。
3.通常采用人工检查的方法监测配电柜内部的温度，即人工每隔一段时间打开配电柜，用红外测温仪对配电柜的主要接线柱进行测温，由于人工对配电柜测温时需打开配电柜门，有可能造成人员伤害，此外，这种监测方法繁琐，难以实现实时监测。荧光测温法具有高空间分辨率，快响应以及远距离测量的特点，能够实现配电柜的远距离实时在线监测。这种监测技术最核心的部分是温敏探针，需要具有高测温灵敏度，从而实现高温度分辨率。为了避免背景荧光，通常采用近红外激光激发的上转换材料作为温敏探针，在搭建温度监测系统时，近红外激光激发的温敏探针大多使用主要通过发射峰位于980nm附近的高功率激光器激发，因此需要配备高功率激光器，使用成本高。此外，现有的荧光测温结构例如中国专利公开号为cn206514975u的应用于高压开关柜的荧光光纤测温装置所述，主体部分包括荧光温度传感器探头、荧光光纤温度解调仪和主机，荧光光纤温度解调仪包括光模块体结构和光电转换电路，光模块体结构包括支撑体、发光二极管、分光片、透镜、连接头和光电传感器。这种测温装置结构复杂，不仅成本高，而且安装过程复杂。配电柜的安全环境温度范围为-25℃~ 40℃，且平均值不超过35℃。因此，实现在-25℃~ 40℃范围内的低成本高灵敏度温度探测，在配电柜的实时在线温度监测领域具有重要的应用前景。


技术实现要素：

4.为了实现配电柜低成本高灵敏度的温度探测，本技术的一个目的是提供一种使用成本低、通过低功耗近红外芯片激发的在线温度监测系统；本发明的另一个目的是提供一种在-25℃~ 40℃范围内温度探测准确度高的温敏探针和配电柜。
5.为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：配电柜在线温度监测系统，包括后台服务器和配电柜，配电柜内设置低功耗近红外芯片、温敏探针和控制器，低功耗近红外芯片激发温敏探针，控制器读取和存储温敏探针监测的数据，控制器与后台服务器通信连接，后台服务器对配电柜内的温度进行实时在线监测；低功耗近红外芯片的主发射峰位于820-860nm之间；温敏探针是稀土掺杂氟化物材料。
6.作为优选，低功耗近红外芯片额发射峰为850nm。
7.作为优选，稀土掺杂氟化物材料是级联能量传递型氟化物，发射峰位于525-545nm。
8.作为优选，级联能量传递型氟化物材料包括锂离子、敏化离子nd
3+
和激活离子yb
3+
，通过掺杂锂离子使晶格收缩，缩短敏化离子nd
3+
与激活离子yb
3+
在晶格中的距离，增大nd
3+
离子到yb
3+
离子的能量传递效率。级联能量传递型氟化物材料包括er
3+
离子，以yb
3+
离子作为能量桥接中心，增加能量传递过程，提高nd
3+
离子到er
3+
离子的间接能量传递效率，实现了er
3+
离子在低功耗近红外芯片激发下的荧光发射。包括cs
+
离子，掺杂cs
+
离子降低体系的声子能量，减少er
3+
离子的无辐射弛豫几率。
9.一种温敏探针，温敏探针是级联能量传递型氟化物材料。
10.作为优选，级联能量传递型氟化物材料的分子式为na
0.7
cs
0.3
scf4:yb/er@na
0.8
li
0.2
scf4:nd/yb。
11.温敏探针的制备方法包括以下步骤：（1）将乙酸钠、乙酸铯、乙酸钪、乙酸镱、乙酸铒、油酸、十八烯、油胺，在室温下加入到容器中，升温至100～150oc，并保温40-70分钟；（2）待步骤（1）中的溶液冷却至室温后，加入氟化铵，随后在氮气保护条件下，升温至290-320 o
c，并保温70-90分钟；（3）待步骤（2）中的溶液冷却至室温后，加入乙醇离心得到沉淀，并用乙醇和环己烷的混合液洗涤产物，然后于40 ～80 o
c烘干后得到产物；（4）将乙酸钠、乙酸锂、乙酸钪、乙酸钕、乙酸镱、油酸、十八烯和油胺，在室温下加入到容器中，升温至100～150oc，并保温40-70分钟；（5）待步骤（4）中的溶液冷却至室温后，加入步骤（3）所得产物，升温至100～150oc，并保温40-70分钟；（6）待步骤（5）中的溶液冷却至室温后，加入氟化铵，随后在氮气保护条件下，迅速升温至290-320 o
c，并保温70-90分钟；（7）待步骤（6）中的溶液冷却至室温后，加入乙醇离心得到沉淀，并用乙醇和环己烷的混合液洗涤产物，然后于40 ～80 o
c烘干后得到温敏探针；配电柜，其内设置激发源和温敏探针，激发源是低功耗近红外芯片。
12.采用了上述技术方案的温敏探针，为了使探针能够从近红外芯片有效地吸收能量并实现能量传递，通过掺杂锂离子使晶格收缩，缩短敏化离子nd
3+
与激活离子yb
3+
在晶格中的距离，增大nd
3+
离子到yb
3+
离子的能量传递效率，使其能够高效地吸收近红外芯片发射出来的光子能量；为了实现er
3+
离子的发光，以yb
3+
离子作为能量桥接中心，即增加yb
3+
离子到yb
3+
离子的能量传递过程，从而大幅提高了nd
3+
离子到er
3+
离子的间接能量传递效率，实现了er
3+
离子在近红外芯片激发下的荧光发射；为了进一步提高er
3+
离子的发光效率，通过掺杂cs
+
离子，降低了体系的声子能量，减少了er
3+
离子的无辐射弛豫几率，进而大幅提高了其发光效率。本发明的温敏探针，在低成本近红外芯片激发条件下，通过表征er
3+
离子在不同温度条件下的荧光光谱，并拟合525nm与545nm处的荧光强度比与温度的关系曲线，在-25℃~ 40℃范围内灵敏度最高可达2.3% k-1
，即温度探测准确度，因此能够很好应用于配电柜的在线温度监测。同时采用近红外芯片为激发源，从而降低了测温系统的成本。
附图说明
13.图1是实施例的温敏探针在近红外芯片器激发条件下的光谱图。
14.图2 是实施例的温敏探针的发光强度与li
+
离子掺杂浓度的关系曲线。
15.图3 是实施例的温敏探针的发光强度与cs
+
离子掺杂浓度的关系曲线。
16.图4 是实施例的温敏探针的变温荧光谱图。
17.图5是 545nm与525nm的荧光强度比值与温度的对应关系曲线。
具体实施方式
18.实施例1温敏探针的制备将0.7毫摩尔乙酸钠，0.3毫摩尔乙酸铯，0.75毫摩尔乙酸钪，0.2毫摩尔乙酸镱与0.05毫摩尔乙酸铒，6毫升油酸，8毫升十八烯，3毫升油胺，在室温下加入到50毫升三颈瓶中，升温至130oc，并保温50分钟；待反应结束并冷却至室温后，加入4毫摩尔氟化铵，随后在氮气保护条件下，迅速升温至300 o
c，并保温80分钟；待溶液冷却至室温后，加入乙醇离心得到沉淀，并用乙醇：环己烷为3:1的混合液洗涤产物，然后于60 o
c烘干后得到na
0.7
cs
0.3
scf4:yb/er产物；将0.8毫摩尔乙酸钠，0.2毫摩尔乙酸锂，0.4毫摩尔乙酸钪，0.45毫摩尔乙酸钕与0.15毫摩尔乙酸镱，6毫升油酸，8毫升十八烯，3毫升油胺，在室温下加入到50毫升三颈瓶中，升温至120oc，并保温60分钟；待溶液冷却至室温后，加入na
0.7
cs
0.3
scf4:yb/er产物，升温至120oc，并保温50分钟；待溶液冷却至室温后，加入4毫摩尔氟化铵，随后在氮气保护条件下，迅速升温至300 o
c，并保温80分钟；待溶液冷却至室温后，加入乙醇离心得到沉淀，并用乙醇：环己烷为3:1的混合液洗涤产物，然后于60oc烘干后得到na
0.7
cs
0.3
scf4:yb/er@na
0.8
li
0.2
scf4:nd/yb温敏探针。
19.数据分析与讨论如图1所示，在近红外芯片激发条件下，er
3+
离子发射出明亮的绿光，且含有两个发射波段，对应于525nm：2h
11/2
→4i
15/2
与545nm：4s
3/2
→4i
15/2
的跃迁。通常情况下，由于上转换发光效率较低，er
3+
离子的上转换发光需要通过近红外激光器来激发，而激光器不仅成本高，还具有一定的危险性，比如人眼需要完全避开激光的照射。商业化较成熟的低成本近红外芯片，特别是850nm近红外芯片，例如台湾光宏850芯片，能够有效地激发稀土离子nd
3+
。由于nd
3+
离子直接到er
3+
离子的能量传递效率非常低，为了提高能量传递效率，本发明以yb
3+
离子作为桥接中心，大幅提高了nd
3+
离子到er
3+
离子的间接能量传递效率。
20.为了验证li
+
离子掺杂能够提高nd
3+
离子到er
3+
离子的直接能量传递效率，制备了不同li
+
离子浓度掺杂的样品。如图2所示，li
+
离子掺杂后，yb
3+
离子在980nm处的发光强度显著增强，且li
+
离子摩尔掺杂浓度为20%时，增强幅度最大。由于li
+
离子半径小，进入晶格后，会导致晶格常数收缩，从而缩短了nd
3+
离子与yb
3+
离子之间的距离，提高了它们之间的能量传递效率，进而增强了yb
3+
离子的发光。
21.为了验证cs
+
离子掺杂能够提高yb
3+
离子到er
3+
离子的直接能量传递效率，制备了不同cs
+
离子浓度掺杂的样品。如图3所示，cs
+
离子掺杂后，er
3+
离子绿光的发光强度显著增强，且cs
+
离子摩尔掺杂浓度为30%时，增强幅度最大。由于cs
+
离子的原子序数较大，晶格震动频率低，掺杂进入晶格后，会降低体系的声子能量，从而降低了er
3+
离子的无辐射弛豫几
率，增强了er
3+
离子的发光。因此，本发明设计的体系，最终能够在低成本近红外芯片的激发下，产生明亮的绿光发射。
22.由于2h
11/2
与4s
3/2
能级为热耦合能级，随着温度的升高，这两个能级上的电子数填充几率出现反转，导致二者对应的荧光发射峰强度出现明显的变化。如图4所示，当以525nm处的发射峰为参考信号时，545nm处的发射强度随着温度的升高而逐渐降低，能够应用于温度的探测。
23.进一步，拟合了525nm与545nm处的荧光强度比值与温度的对应关系曲线。如图5所示，随着温度从-25℃到40℃，545nm与525nm荧光强度的比值与温度具有很好的线性关系。通过灵敏度计算，该探针的最高测温灵敏度可达2.3%℃-1
。按照本发明设计的温敏探针用于配电柜的温度探测，得到配电柜内的实时温度，进而实现配电柜的实时在线温度监测。
24.本专利的核心在于降低使用成本，采用发射峰位于850nm的低功耗近红外芯片替代现有的发射峰位于980nm附近的高功率激光器，设计了适合于低功耗近红外芯片激发，且在-25℃~ 40℃范围内灵敏度的温敏探针。
25.配电柜的实时在线温度监测系统，包括后台服务器和配电柜，配电柜内设置低功耗近红外芯片、温敏探针和控制器，低功耗近红外芯片激发温敏探针，控制器读取和存储温敏探针监测的数据，控制器与后台服务器通信连接，后台服务器对配电柜内的温度进行实时在线监测。低功耗近红外芯片是主发射峰位于850nm的芯片，温敏探针是级联能量传递型氟化物材料，具体是上述na
0.7
cs
0.3
scf4:yb/er@na
0.8
li
0.2
scf4:nd/yb温敏探针。
26.配电柜的实时在线温度监测系统使用过程如下：（1）将温敏探针设置在待监测的接线柱处；（2）将低功耗近红外芯片固定在配电柜内，为了保证监测准确度，低功耗近红外芯片与温敏探针的距离不超过20cm，低功耗近红外芯片位置正对温敏探针；（3）低功耗近红外芯片通电后，辐射出近红外光激发温敏探针，温敏探针产生的绿光通过光纤连入控制器，控制器读取和存储温敏探针监测的温度数据，控制器与后台服务器通信连接，后台服务器对配电柜内的温度进行实时在线监测。