一种无须持续供电进行实时温度监测的配电柜的制作方法

1.本发明涉及配电柜的安全监测领域，尤其是无须持续供电进行实时温度监测的配电柜。


背景技术：

2.配电柜常用于高电压、大电流和强磁场的环境中，因此，其内部接线处会由于表面氧化、腐蚀或老化等原因导致局部温度升高，在热量不断积累的情形下，存在安全隐患。由于局域温度是一个重要的变化参数，对配电柜内部的温度进行在线监控，能够有效地避免因高温引起的火灾事故，保障电力系统的安全运行。
3.目前配电柜内部温度的自动检测方法主要是荧光测温法，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，而温敏探针通常需要持续的能量供给，比如采用连续近红外激光持续激发的上转换材料作为温敏探针，通过表征发射光的荧光强度或寿命随温度的变化关系，从而反馈温度的变化。现有配电柜内部温度的检测存在的不足是需要近红外激光持续对温敏探针进行激发，即需要持续供电，当突发断电时，由于没有外部电源的供给，温敏探针会失效，不能再持续进行温度监测。长余辉材料是一种由缺陷态储存的电子持续释放而产生发光的材料，在存储一定的能量以后无须外界激发条件，能够节省大量的能源，利用长余辉材料作为温敏探针，能够在无外部电源的供给条件下持续进行温度监测。配电柜的安全环境温度范围为-25℃~ 40℃，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.本技术的一个目的是提供一种使用能耗低，无须持续供电就能进行实时温度监测的配电柜。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。
5.为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：一种无须持续供电进行实时温度监测的配电柜，配电柜内设置x射线光管和温敏探针，x射线光管激发温敏探针，温敏探针具有长余辉性能的er
3+
离子掺杂氟化物。
6.作为优选，x射线光管是低功率x射线光管，x射线光管的功率为1-2瓦。
7.作为优选，氟化物基质为yf3@luf3，er
3+
离子掺杂在壳层中，发射峰位于510-570nm。
8.作为优选，壳层基质中含有lu元素，其原子序数大，具有很好的x射线吸收能力，使激活离子具有较高的发光效率。由于x光的照射，基质中产生了大量的f-空位，进而捕获x射线光子能量并存储，当x光照停止后，这些储存的光子能量逐渐释放，产生余辉发光。er
3+
离子掺杂在壳层中，通过二维空间结构的设计，使得er
3+
离子的能量传递过程为高效的循环传递，能够增强er
3+
离子的发光，同时这种二维空间缩短了缺陷与er
3+
离子的距离，能够促进
er
3+
离子从缺陷态捕获电子，增强长余辉发光。在壳层生长过程中，加入过量的氟源，从而增加x射线激发下的f-离子缺陷态浓度，从而捕获更多的电子，进一步增强长余辉发光。
9.作为优选，离子掺杂氟化物的分子式为yf3@luf3: li/er。
10.一种温敏探针，温敏探针是具有长余辉性能的er
3+
离子掺杂氟化物。
11.温敏探针的制备方法包括以下步骤：（1）将氯化钇、油酸与十八烯，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 oc
烘干后得到产物；（4）将氯化镥、氯化铒、乙酸锂，油酸与十八烯，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，加入过量的氟化铵，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 oc
烘干后得到温敏探针；配电柜，其内设置激发源和温敏探针，激发源是低功率x射线光管。
12.配电柜远距离温度监测系统，包括光谱仪、光纤和权利要求1所述的配电柜，光纤一端连接配电柜内的温敏探针；光谱仪连接光纤，光谱仪通过光纤读取配电柜内的信息。
13.一种用于配电柜中的温敏探针，温敏探针是具有长余辉性能的er
3+
离子掺杂氟化物。
14.采用了上述技术方案的温敏探针，为了使探针能够高效地吸收x射线，基质中采用具有大原子序数的lu；为了实现高量子效率荧光以及长余辉发光，将er
3+
离子限定在二维壳层空间中，通过循环传递过程增强er
3+
离子的发光，通过缩短缺陷与er
3+
离子的距离，促进er
3+
离子从缺陷态捕获电子，增强长余辉发光；为了进一步增强长余辉发光，在壳层生长过程中，加入过量的氟源，从而增加x射线激发下的f-离子缺陷态浓度，捕获更多的电子。本发明的温敏探针，在低功率x射线激发条件下，能产生高量子效率的荧光发射，在停止激发后，由于缺陷态能够储存大量的电子，进而在无外界激发条件下持续发光，具备高效地的长余辉发光性能，通过表征er
3+
离子在-25℃~ 40℃范围内的荧光光谱，并拟合525nm与545nm处的荧光强度比与温度的关系曲线，灵敏度最高可达3.4% k-1
，因此在突发断电情形下，仍然能够很好地应用于配电柜的在线温度监测。
附图说明
15.图1是实施例的温敏探针在x射线激发条件下的光谱图。
16.图2 是实施例的温敏探针在x射线激发停止后的光谱图。
17.图3 是实施例的温敏探针的余辉发光强度与er
3+
离子掺杂浓度的关系曲线。
18.图4 是实施例的温敏探针在x射线激发停止后的变温荧光谱图。
19.图5是 545nm与525nm的荧光强度比值与温度的对应关系曲线。
具体实施方式实施例
20.温敏探针的制备将1毫摩尔氯化钇，10毫升油酸，15毫升十八烯，在室温下加入到50毫升三颈瓶中，升温至160oc，并保温50分钟；待反应结束并冷却至室温后，加入3毫摩尔氟化铵，随后在氮气保护条件下，迅速升温至310 oc
，并保温90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 oc
烘干后得到yf3产物；将0.9毫摩尔氯化镥、0.1毫摩尔氯化铒，0.05毫摩尔乙酸锂，10毫升油酸，15毫升十八烯，在室温下加入到50毫升三颈瓶中，升温至160oc，并保温60分钟；待溶液冷却至室温后，加入yf3产物，升温至120oc，并保温50分钟；待溶液冷却至室温后，加入5毫摩尔氟化铵，随后在氮气保护条件下，迅速升温至300 oc
，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yf3@luf3: li/er温敏探针。
21.数据分析与讨论如图1所示，在x射线激发条件下，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。这两个发光能级为热耦合能级，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，被广泛应用于温度探测。但是对于常见的体系而言，激发光源，如近红外激光，需要持续照射，断电后没有荧光发射，不能再进行温度探测。而本发明设计的纳米晶在停止x射线照射后，仍有明亮的绿光发射。
22.如图2所示，x射线停止照射后，仍然能够探测到er
3+
离子的双荧光发射峰，并且荧光持续时间大于24小时，表明该体系具有高效的长余辉发光性能。这种优异的性能主要源于材料的设计，将er
3+
离子限定在二维壳层空间中，在壳层生长过程中，加入过量的氟源，从而增加x射线激发下的f-离子缺陷态浓度，捕获更多的电子，通过缩短缺陷与er
3+
离子的距离，促进er
3+
离子从缺陷态捕获电子，从而增强长余辉发光。壳层掺杂少量的li
+
离子，是为了提高壳层的结晶性，减少er
3+
离子的无辐射弛豫几率，提高其发光与余辉强度。
23.为了优化长余辉性能，制备了不同er
3+
离子浓度掺杂的样品。如图3所示，随着er
3+
离子摩尔浓度从2%逐渐增加到10%，余辉的初始强度逐渐增强，这是由于能够捕获缺陷态电子的er
3+
离子数目增多，随着er
3+
离子摩尔浓度的进一步提高，余辉的初始强度开始减弱，这是由于高er
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离子浓度增大了其到表面缺陷的能量传递几率。因此，本发明设计的体系中，最佳er
3+
离子摩尔浓度为10%。
24.为了验证在突发断电情况下，本发明设计的体系仍然能够用于温度探测，将温敏探针在x射线照射5分钟后，在-25℃~ 40℃范围内表征了其变温荧光性能。如图4所示，停止x射线照射后， 2h11/2
与4s
3/2
能级仍然表现出显著的热耦合现象，即二者对应的荧光发射峰强度比随温度发射显著的变化。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。
25.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3.4%℃-1
。按照本发明设计的温敏探针用于配电柜的温度探测，在突发断电情形下，仍然能够用于配电柜的实时在线温度监测。
26.本专利的核心在使用长余辉材料替换现有的普通光致发光材料，无须持续的光源激发，在突发断电情形下，仍然能够监测配电柜的实时温度，设计了适合于低功率x射线激发的长余辉材料，且在-25℃~ 40℃范围内具有高灵敏度的温度探测性能。
27.配电柜远距离温度监测系统，包括光谱仪、光纤和上述的配电柜，光纤一端连接配电柜内的温敏探针；光谱仪连接光纤，光谱仪通过光纤读取配电柜内的信息。温敏探针是er
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离子掺杂氟化物，具体是上述yf3@luf3: li/er温敏探针。使用时，（1）将温敏探针材料涂在在待监测的接线柱处；（2）低功率x射线光管固定在配电柜内，且位置正对温敏探针；（3）低功率x射线光管通电后，辐射出的x射线光子能量激发温敏探针，温敏探针吸收的能量部分产生荧光，部分被缺陷态存储，5分钟后停止通电，温敏探针由缺陷态释放的电子持续产生绿光，并通过光纤输出信号。光谱仪用于探测光纤输出的荧光信号，温敏探针的荧光信号与温度有对应曲线，可以通过荧光信号的强度值显示接线柱处的温度。本专利的优势在于无需在配电柜内即可检测配电柜内的温度，实现远距离温度实时监测。