(57)【要約】【課題】赤外線吸収式の濃度測定装置において、簡単な構成の光路体を有しつつ、測定可能な濃度範囲を拡張する。【解決手段】この濃度測定装置は、赤外線を含む光を放射する赤外光源（１１）と、該赤外光源から放射された光を受光して、特定波長の光を検出するＩＲ検出器（１２）と、赤外光源とＩＲ検出器の間に配置され、光路長を規定し、被検知対象が充填される閉空間を備えた光路体（１３）と、を有する。  そして、光路体に閉空間内の被検知対象の相を変化させるための状態変化部（１４）を有する。【選択図】図１
2014001982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を含む光を放射する赤外光源（１１）と、
該赤外光源から放射された光を受光して、特定波長の光を検出するＩＲ検出器（１２）と、
前記赤外光源と前記ＩＲ検出器の間に配置され、光路長を規定し、被検知対象が充填される閉空間（２１）を備えた光路体（１３）と、を有する濃度測定装置であって、
前記閉空間における前記被検知対象の相を変化させるための状態変化部（１４）を有することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記状態変化部は、
前記閉空間の温度を変化させるための温度変化手段（２２）と、
前記閉空間の圧力を変化させるための圧力変化手段（２３）の、少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記閉空間の温度を検出する温度センサ（１５）と、
前記閉空間の圧力を検出する圧力センサ（１６）と、
前記温度センサ、前記圧力センサ、前記状態変化部、および前記ＩＲ検出器と通信可能に接続された第１制御部（１７）と、
前記第１制御部と通信可能に接続され、前記被検知対象の相図情報および赤外線吸収スペクトル情報が記憶された第１メモリ部（１８）と、を有し、
前記第１制御部は、前記圧力センサおよび前記温度センサから入力される、前記閉空間の圧力および温度の情報と、前記第１メモリ部に記憶された前記相図情報および前記赤外線吸収スペクトル情報と、に基づいて、前記温度変化手段、前記圧力変化手段および前記ＩＲ検出器の少なくとも一つを制御して、前記閉空間における前記被検知対象の光の吸収係数を変化させることを特徴とする請求項２に記載の濃度測定装置。
【請求項４】
前記第１制御部は、前記温度変化手段および前記圧力変化手段の少なくとも一方を制御して、前記閉空間内の温度および圧力の少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項３に記載の濃度測定装置。
【請求項５】
前記第１制御部は、前記ＩＲ検出器を制御して、前記ＩＲ検出器が検出する前記特定波長を変更させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の濃度測定装置。
【請求項６】
前記赤外光源の光のうち、前記特定波長をλ、強度をＩ０とする光について、
前記被検知対象が気体の状態における、波長λの光の吸収係数をεＧとし、
前記被検知対象が液体の状態における、波長λの光の吸収係数をεＬとし、
前記被検知対象が固体の状態における、波長λの光の吸収係数をεＳとし、
前記ＩＲ検出器の光の強度分解能をΔとするとき、
（１／εＬ）・ｌｏｇ１０（Ｉ０／Δ）≧（１／εＧ）・ｌｏｇ１０[Ｉ０／（Ｉ０−Δ）]
および、
（１／εＳ）・ｌｏｇ１０（Ｉ０／Δ）≧（１／εＬ）・ｌｏｇ１０[Ｉ０／（Ｉ０−Δ）]
のうち、少なくとも１つの式の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項７】
前記赤外光源の光のうち、前記特定波長をλ、強度をＩ０とする光について、
前記被検知対象が気体の状態における、波長λの光の吸収係数をεＧとし、
前記ＩＲ検出器の光の強度分解能をΔとするとき、
前記光路長ｄが、
（１／[ｄ×εＧ]）・ｌｏｇ１０（Ｉ０／Δ）＞１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項８】
前記被検知対象が人間の呼気であって、
前記ＩＲ検出器に通信可能に接続された第２制御部（１９）と、
該第２制御部と通信可能に接続され、人間の肺内に絶対的に含まれる二酸化炭素の濃度ＣＬと、エタノール濃度の酒気帯び運転に係る法規制値Ｐと、が記憶された第２メモリ部（２０）と、を有し、
前記第２制御部は、
前記ＩＲ検出器が検出した光の出力から前記呼気中の二酸化炭素の濃度ＣＢを算出し、
前記ＣＢ、前記ＣＬ、および、前記Ｐに基づいて、エタノールの測定必要濃度ＣＡＬを、
ＣＡＬ＝（１／１０）・（ＣＢ／ＣＬ）・Ｐ
に基づいて演算するとともに、
前記赤外光源の光のうち、前記特定波長をλ、強度をＩ０とする光について、
前記被検知対象としてのエタノールが液体の状態における、波長λの光の吸収係数をεＬとし、
前記ＩＲ検出器の光の強度分解能をΔ、前記光路長をｄとするとき、
ＣＡＬ＞[１／（ｄ×εＬ）]・ｌｏｇ１０[Ｉ０／（Ｉ０−Δ）]
の関係を満たすように、前記ＩＲ検出器を制御して、前記ＩＲ検出器が検出する前記特定波長を変更させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項９】
前記被検知対象が人間の呼気であって、
前記赤外光源の光のうち、前記特定波長をλ、強度をＩ０とする光について、
前記被検知対象としてのエタノールが液体の状態における、波長λの光の吸収係数をεＬとし、
前記ＩＲ検出器の光の強度分解能をΔ、前記光路長をｄとするとき、
５×１０−７＞[１／（ｄ×εＬ）]・ｌｏｇ１０[Ｉ０／（Ｉ０−Δ）]
の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項１０】
前記光路体は、前記光路長が可変とされることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項１１】
前記光路体のうち、前記赤外光源の光が透過する部分が複数に分岐して形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項１２】
前記ＩＲ検出器として、前記特定波長が、８．５μｍ以上、１０μｍ以下の範囲を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項１３】
前記ＩＲ検出器として、前記特定波長が、５μｍ以上、７μｍ以下の範囲を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線吸収式の濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体などの被検知対象中に含まれる成分の濃度を測定する濃度測定装置として、非分散型赤外分光計（ＮＤＩＲ）が知られている。ＮＤＩＲは、赤外の波長を含む光源（以下、赤外光源という）から放射された光を被検知対象に吸収させ、その吸収量を、赤外線センサを用いて測定する。ある分子構造を有する成分は、分子構造に応じた固有の赤外線吸収スペクトルを有する。このため、ＮＤＩＲでは、被検知対象を透過した光を分光器により分光し、赤外域の特定波長の吸収量から、被検知対象の同定および濃度の定量を行う。
【０００３】
ところで、ＮＤＩＲなど、光の吸収および透過を利用する濃度測定装置には、光が被検知対象中を通過する光路長に応じて測定可能な濃度範囲が存在する。光路長が短く設定されている場合、高濃度の被検知対象の測定は可能だが、低濃度の被検知対象では光の吸収量が小さすぎて、その変化を赤外線センサで検出できないことがある。一方、光路長が長く設定されている場合、低濃度の被検知対象の測定は可能だが、高濃度の被検知対象では赤外光源から放射された光のほとんどが吸収されてしまい、赤外線センサで検出できないことがある。
【０００４】
上記の問題点を解消するため、特許文献１に記載の発明は、長さの異なる複数の光路を長手方向の中央部で交差させた光路体を有し、この光路体が中央部を中心に、モータなどの機械的な機構により回転するようになっている。光路体を回転させることにより、光路長を切り替え、測定可能な濃度範囲を拡張することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、被検知対象の濃度がｐｐｍオーダーである場合には数メートルの光路長を要する。これは濃度測定装置として現実的ではない。換言すれば、現実的な光路長とした場合に、低濃度側の感度を十分に確保できない。一方、被検知対象の濃度が１００％近い場合には数ミリメートルの光路長としなければならない。これは製造が困難であるという問題がある。また、特許文献１のような構成は、光路体の構造が複雑化するという問題もある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成の光路体を有しつつ、測定可能な濃度範囲を拡張することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、
赤外線を含む光を放射する赤外光源（１１）と、
該赤外光源から放射された光を受光して、特定波長の光を検出するＩＲ検出器（１２）と、
赤外光源とＩＲ検出器の間に配置され、光路長を規定し、被検知対象が充填される閉空間（２１）を備えた光路体（１３）と、を有する濃度測定装置であって、
閉空間における被検知対象の相を変化させるための状態変化部（１４）を有することを特徴としている。
【０００９】
従来、ＮＤＩＲによる濃度測定は、被検知対象が、気体または液体のいずれか一方の状態で行われてきた。ランベルト・ベールの法則によれば、光路長が一定、且つ、ＩＲ検出器の透過光の強度分解能が一定の下において、測定可能な濃度範囲は、被検知対象の吸収係数に依存する。吸収係数は、測定に用いられる赤外線の波長に依存するほか、被検知対象の相に依存する。一般に、吸収係数は、被検知対象の分子密度に依存し、気相の吸収係数は液相よりも低く、液相の吸収係数は固相よりも低い。従来のように、気体のみ、または液体のみを用いるといった構成においては、被検知対象が単一の相であるために、測定可能な濃度範囲が制限されていた。
【００１０】
これに対して、本発明では、１つの測定装置で、被検知対象を複数の相に変化させつつ測定を行うことができる。本発明の濃度測定装置は従来の構成に加えて、光路体における閉空間に充填された被検知対象の相を変化させる状態変化部を有する。このため、少なくとも１つの光路体を有するだけで（すなわち、光路長一定の下で）、被検知対象の三態のうち、少なくとも２つの相に係る濃度の測定範囲を確保することができる。したがって、簡単な構成の光路体を有しつつ、測定可能な濃度範囲を拡張することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る濃度測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】測定可能な下限濃度および上限濃度と光路長の関係を示すグラフである。
【図３】温度および圧力による被検知対象の相の状態を示す相図である。
【図４】被検知対象の相の三態による濃度の測定可能範囲を模式的に示したグラフである。
【図５】液体のエタノールの赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図６】エタノールの気体および液体における、濃度の測定可能範囲を示したグラフである。
【図７】水の気体および液体における、濃度の測定可能範囲を示したグラフである。
【図８】第２実施形態に係る濃度測定装置の構成を示す概略図である。
【図９】水の気体および液体における、濃度の測定可能範囲を示したグラフである。
【図１０】第３実施形態に係る濃度測定装置の構成を示す概略図である。
【図１１】液体のエタノールおよび水の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図１２】気体のエタノールおよび水の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。なお、被検知対象の濃度の単位として、比率、百分率（％）および百万分率（ｐｐｍ）を用いるが、すべてモル分率である。また、吸収係数の単位も濃度の単位に合わせるものとする。すなわち、濃度の単位を比率で表す場合には、吸収係数の単位はｍ−１である。同様に、濃度の単位を百分率で表す場合には、吸収係数の単位は％−１ｍ−１であり、濃度の単位を百万分率で表す場合には、吸収係数の単位はｐｐｍ−１ｍ−１である。
【００１３】
（第１実施形態）
本実施形態の濃度測定装置は、飲酒運転の取り締まりなどに用いられるアルコールチェッカや、自動車燃料中の成分濃度を測定するための濃度測定器に用いられる。
【００１４】
濃度を測定する原理は、ランベルト・ベールの法則による。すなわち、被検知対象中を初期強度Ｉ０の赤外線が光路長ｄで透過するとき、透過光の強度Ｉと、被検知対象の濃度Ｃおよび吸収係数εは、下記数式１を満たす。
【数１】
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【００１５】
つまり、測定に用いる赤外線の初期強度Ｉ０と、光路長ｄを規定しておき、吸収係数εが判れば、透過光の強度Ｉに基づいて被検知対象の濃度Ｃを算出することができる。なお、吸収係数εは、赤外線の波長に依存し、測定に利用する赤外線の特定波長λが決まれば、既知の赤外線吸収スペクトルのデータから求めることができる。また、吸収係数εは、被検知対象の相によっても異なる。また、同相の場合においても、被検知対象の分子密度に依存する。
【００１６】
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る濃度測定装置の概略構成について説明する。
【００１７】
この濃度測定装置１０は、赤外光源１１と、ＩＲ検出器１２と、光路体１３と、状態変化部１４と、を有する。また、後述する閉空間（光路体１３の内部空間）の温度をモニターするための温度センサ１５と、閉空間の圧力をモニターするための圧力センサ１６と、を有する。さらに、ＩＲ検出器１２、状態変化部１４、温度センサ１５および圧力センサ１６と通信可能に接続された第１制御部１７と、該第１制御部１７と通信可能に接続された第１メモリ部１８と、を有し、ＩＲ検出器１２と通信可能に接続された第２制御部１９と、該第２制御部１９と通信可能に接続された第２メモリ部２０と、を有する。
【００１８】
赤外光源１１は、赤外線を含む光を放射する光源（例えば、タングステン・ヨウ素ランプや高輝度セラミック光源）が用いられる。
【００１９】
ＩＲ検出器１２は、分光器（例えば、積層膜で作製されたバンドパスフィルタなどの透過波長固定分光素子や、ファブリペロー型の干渉計や回折格子などの透過波長可変分光素子：図示せず）と赤外線センサ（例えば、ボロメータやサーモパイルなどの赤外線検知素子：図示せず）とを有する。ＩＲ検出器１２は、入射した光を、分光器で分光し、赤外波長域に感度を有する赤外線センサで検出する。このＩＲ検出器１２は、分光器の光学条件を制御することにより、赤外線センサで検出される光の波長（特定波長λ）が変更できるようになっている。すなわち、ＩＲ検出器１２は、分光器と赤外線センサとを有し、入射した光のうち、測定に利用する波長を分光器により選択し、その強度を赤外線センサにより測定する。
【００２０】
光路体１３は、少なくとも一部が赤外光源１１とＩＲ検出器１２との間に配置され、赤外光源１１から放射された赤外線を含む光が光路体１３の内部空間を透過するようになっている。光路体１３には、被検知対象を導入するための導入孔１３ａと、被検知対象を排出する排出孔１３ｂが形成されている。そして、導入孔１３ａと排出孔１３ｂのそれぞれには、外部と光路体１３の内部空間とを隔離するためのバルブ１３ｃが設置されている。このバルブ１３ｃが閉じられることにより、光路体１３の内部空間は、被検知対象の物質量を一定に保持する閉空間２１となる。
【００２１】
状態変化部１４は、光路体１３のうち、赤外光源１１から放射されＩＲ検出器１２へ進む光を妨げない位置に配置されている。本実施形態における状態変化部１４は、閉空間２１の温度を変化させるための温度変化手段２２と、閉空間２１の圧力を変化させるための圧力変化手段２３とを有する。具体的には、温度変化手段２２は、例えばペルチェ素子である。後述する第１制御部１７がペルチェ素子に印加する電圧を制御することで、閉空間２１の温度が制御されている。また、圧力変化手段２３は、例えばピストンである。後述する第１制御部１７がピストンの運動を制御して閉空間２１の体積を変化させることにより、閉空間２１の圧力が制御されている。
【００２２】
温度センサ１５は、閉空間２１の温度を検出する。この温度センサ１５は閉空間２１の温度をモニターしつつ、後述する第１制御部１７に温度の情報を送出する。
【００２３】
圧力センサ１６は、閉空間２１の圧力を検出する。この圧力センサ１６は閉空間２１の圧力をモニターしつつ、後述する第１制御部１７に圧力の情報を送出する。
【００２４】
第１制御部１７は、ＩＲ検出器１２、状態変化部１４（温度変化手段２２および圧力変化手段２３）に通信可能に接続されている。また、第１制御部１７は、上記したように、温度センサ１５および圧力センサ１６に通信可能に接続され、閉空間２１の温度および圧力の情報が上記センサ１５，１６から入力される。さらに、第１制御部１７は、第１メモリ部１８と通信可能に接続されている。この第１メモリ部１８には、少なくとも被検知対象の相図情報および赤外線吸収スペクトル情報が記憶されている。ここでいう相図情報とは、ある温度および圧力の条件下で、被検知対象が三態のうちいずれの相にあるかを示すものである。また、赤外線吸収スペクトル情報とは、被検知対象の吸収係数の波長依存性を示すものである。第１制御部１７は、温度センサ１５、圧力センサ１６、および、第１メモリ部１８から呼び出す情報、すなわち、閉空間２１の温度および圧力の情報と、被検知対象の相図情報および赤外線吸収スペクトル情報と、に基づいて、温度変化手段２２、圧力変化手段２３およびＩＲ検出器１２の少なくとも１つを制御する。そして、第１制御部１７は、閉空間２１に充填された被検知対象の温度および圧力の条件、または、ＩＲ検出器１２が検出する赤外線の特定波長λを変化させることにより、濃度測定に利用する吸収係数εを変更させる。なお、被検知対象の温度および圧力の条件を変化させる、とは、被検知対象の相転移がおきるようなものであってもよいし、相転移が起こらなくとも、被検知対象の温度および圧力の変化により吸収係数εが変化するようなものであってもよい。
【００２５】
第２制御部１９は、ＩＲ検出器１２に通信可能に接続されている。また、第２制御部１９は第２メモリ部２０とも通信可能に接続されている。本実施形態において、第２制御部１９および第２メモリ部２０は、例えば、アルコールチェッカのように、人間の呼気中に含まれるエタノール濃度を測定する際に使用される要素である。第２制御部は、人間の呼気中の二酸化炭素濃度から、空気中に拡散するエタノールの希釈率を校正する（詳細は後述）。校正を行うため、被検者である人間の呼気に含まれる二酸化炭素の濃度ＣＢを、ＩＲ検出器１２により検出された透過光の強度Ｉに基づいてランベルト・ベールの法則により算出する。なお、このＣＢを得るために、光路体１３の光路長ｄと、二酸化炭素の吸収係数εと、入射光の強度Ｉ０と、を予め規定しておく。一方、第２メモリ部２０には、人間の肺内における絶対的な二酸化炭素濃度ＣＬと、エタノール濃度の酒気帯び運転に係る法規制値Ｐと、が少なくとも記憶される。なお、上記ＣＬは、ほぼ一定値であり、略４％（４×１０４ｐｐｍ）である。また、法規制値Ｐは、法律により定められるエタノール濃度であり、例えば、２０１２年５月現在の日本国における道路交通法第６５条第１項および同法第１１７条の２の２第一号に規定するエタノール濃度として、０．１５ｍｇ／Ｌ、すなわち、２５℃において略６７ｐｐｍと規定されている。そして、第２制御部１９は、これらＣＢ、ＣＬ、Ｐの値に基づいて、ＩＲ検出器１２を制御し、後述するアルコールチェックに必要な条件を満たすように、エタノールの吸収係数を変化させる。
【００２６】
次に、図２〜図５を参照して、本実施形態に係る濃度測定装置１０の作用効果について説明する。
【００２７】
まず、ＮＤＩＲにおける測定可能な濃度範囲について説明する。光路体１３の閉空間２１に充填され、所定の吸収係数εとされた被検知対象の測定可能な濃度範囲は、光路長ｄと、赤外光源１１から被検知対象に入射する入射光の強度Ｉ０と、ＩＲ検出器１２の赤外光の強度分解能Δと、に依存する。
【００２８】
被検知対象の濃度が高い場合の透過光は、被検知対象の濃度が低い場合に較べて強度が低下する。ＩＲ検出器１２で検出可能な透過光の強度は、ＩＲ検出器１２の強度分解能Δが最小であり、Δよりも低強度の光を検出できない。したがって、測定可能な上限濃度は、被検知対象を透過した透過光の強度が強度分解能Δに等しいときにランベルト・ベールの法則から計算される濃度である。すなわち、測定可能な被検知対象の上限濃度Ｃｍａｘは、数式２に示すようになる。
【数２】
2014001982.tif 000004
【００２９】
一方、被検知対象の濃度が低い場合、入射光のほとんどが被検知対象を透過する。そして、透過光の強度が、入射光の強度Ｉ０よりも強度分解能Δだけ減衰した（Ｉ０−Δ）となるとＩＲ検出器１２により入射光の減衰を検出することができる。したがって、測定可能な下限濃度は、被検知対象を透過した透過光の強度が（Ｉ０−Δ）に等しいときにランベルト・ベールの法則から計算される濃度である。すなわち、測定可能な被検知対象の下限濃度Ｃｍｉｎは、数式３に示すようになる。
【数３】
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【００３０】
図２に示すように、上記ＣｍａｘおよびＣｍｉｎを、縦軸を光路長ｄ、横軸を被検知対象の濃度Ｃとした両対数グラフにプロットすると、所定の光路長ｄに対する濃度Ｃの測定限界線を示すことができる。上記Ｃｍａｘを示す測定限界線（図２中、Ａ線と示す）と、上記Ｃｍｉｎを示す測定限界線（図２中、Ｂ線と示す）は互いに平行になる。この測定限界線は、被検知対象と、光路長ｄ、吸収係数ε、入射光の強度Ｉ０、および、ＩＲ検出器１２の強度分解能Δが判れば一意に決まるものであり、計算により求めることができる。図２に示すように、光路長ｄ１の光路体１３を備えた濃度測定装置１０の測定可能な濃度範囲は、図２に示すＣｍｉｎとＣｍａｘとの間の範囲（図２中、測定可能範囲と示す）となる。光路長ｄを大きくすると透過光の強度が減少するため、上記ＣｍａｘおよびＣｍｉｎを低濃度側へシフトさせることができる。逆に、光路長ｄを小さくすると透過光の強度が増加するため、上記ＣｍａｘおよびＣｍｉｎを高濃度側へシフトさせることができる。すなわち、光路長ｄを変化させることにより、被検知対象の測定可能な濃度範囲を調整することができる。
【００３１】
加えて、数式２および数式３によれば、上限濃度Ｃｍａｘおよび下限濃度Ｃｍｉｎは、吸収係数εにも依存する。このため、被検知対象の吸収係数εを意図的に変更することにより、光路長ｄを変更することなく、測定可能な濃度範囲を調整することができる。具体的には、吸収係数εを大きくすると、上記ＣｍａｘおよびＣｍｉｎを低濃度側へシフトさせることができる。逆に、吸収係数εを小さくすると、上記ＣｍａｘおよびＣｍｉｎを高濃度側へシフトさせることができる。なお、吸収係数εは、赤外線の波長に依存し、測定に利用する赤外線の特定波長λが決まれば、既知の赤外線吸収スペクトルのデータから求めることができる。また、吸収係数εは、被検知対象の相によっても異なる。また、同相の場合においても、被検知対象の分子密度に依存する。なお、吸収係数εは、一般に、被検知対象の分子密度が高いほど大きい。すなわち、気相に較べて液相の吸収係数は大きく、液相に較べて固相の吸収係数は大きい。
【００３２】
本実施形態は、吸収係数εの変更することにより、測定可能な濃度範囲を調整することを特徴としている。具体的には、本実施形態における濃度測定装置１０は、被検知対象の相を変化させることにより吸収係数εを変化させるための状態変化部１４を有する。また、ＩＲ検出器１２は、吸収係数εを決定するための特定波長λが変更可能なようになっている。
【００３３】
上記したように、本実施形態においては、吸収係数εを変更させる手段として、２つの方法を用いることができる。一つは、被検知対象の相を変化させることである。もう一つは、ＩＲ検出器１２が検出する光の特定波長λを適切に変更することである。
【００３４】
以下、吸収係数εを変更させる一つ目の手段である、被検知対象の相を変化させる手段について説明する。とくに、状態変化部１４について説明する。
【００３５】
本実施形態における状態変化部１４は、図１に示すように、温度変化手段２２と圧力変化手段２３とを有する。温度変化手段２２と圧力変化手段２３は、ともに第１制御部１７と通信可能に接続されている。第１制御部１７は、通信可能に接続された温度センサ１５および圧力センサ１６によりモニターされた閉空間２１内の温度および圧力の情報と、第１メモリ部１８に記憶された相図情報と、に基づいて、被検知対象の相の状態を判断する。そして、第１制御部１７は、温度変化手段２２および圧力変化手段２３を制御し、閉空間２１内の温度および圧力を変化させる。本実施形態における相図情報とは、図３に示すように、被検知対象の相を、温度と圧力の条件で分類したものである。
【００３６】
仮に、図３に示すような相図を呈する被検知対象が、温度ＴＡ、圧力ＰＡで閉空間２１に充填されていたとする（図３中、点α）。このとき、被検知対象は気体であり、図２に示したような測定限界線をプロットすることができる。仮に、気体における測定限界線を図４に示すＧＡ線およびＧＢ線（実線）とすると、所定の光路長ｄ１に対して、被検知対象の相が気体の場合における測定可能範囲が規定される。
【００３７】
仮に、被検知対象の濃度が、相が気体である場合に規定される測定可能範囲から外れるときには、第１制御部１７が温度変化手段２２と圧力変化手段２３とを制御して、被検知対象の相転移を行う。具体的には、図３における点αの状態から、温度を下降させるため、例えば、温度変化手段２２としてのペルチェ素子に電圧を印加して被検知対象を冷却する。また、図３における点αの状態から、圧力を上昇させるため、例えば、圧力変化手段２３としてのピストンを押しこんで閉空間２１内の被検知対象を圧縮する。これにより、例えば、被検知対象の状態が温度ＴＢ、圧力ＰＢとされたとする（図３中、β点）。被検知対象は気体から液体へと状態変化する。被検知対象が気体である場合と同様、図２に示したような測定限界線をプロットすることができる。液体における測定限界線を図４に示すＬＡ線およびＬＢ線（一点鎖線）とすると、所定の光路長ｄ１に対して、被検知対象の相が液体の場合における測定可能範囲が規定される。なお、気体から液体への状態変化であるため、液体における測定限界線は、気体の測定限界線よりも低濃度側にシフトする。本実施形態では、図４に示すように、濃度Ｃについて、気体における下限濃度の測定限界線であるＧＢ線が、液体における上限濃度の測定限界線であるＬＡ線よりも低濃度側に位置している。すなわち、気体および液体における被検知対象の吸収係数をそれぞれεＧ、εＬとすると、数式２および数式３から、数式４を満たすようになっている。
【数４】
2014001982.tif 000006
すなわち、測定可能な濃度範囲が気液連続となっている。
【００３８】
上記したように、被検知対象の相を気体から液体へと状態変化させることにより、気体における測定可能範囲とともに、液体における測定可能範囲を利用することができる。したがって、簡単な構成の光路体１３を有しつつ、測定可能な濃度範囲を拡張することができる。また本実施形態では、測定可能な濃度範囲が気液連続となっていることにより、被検知対象の濃度を連続的に測定することができる。
【００３９】
仮に、被検知対象の濃度が、相が液体である場合に規定される測定可能範囲から外れるときには、第１制御部１７が温度変化手段２２と圧力変化手段２３とを制御して、被検知対象の相転移を行う。具体的には、図３における点βの状態から、温度を下降させるため、例えば、温度変化手段２２としてのペルチェ素子に電圧を印加して被検知対象を冷却する。また、図３における点βの状態から、圧力を上昇させるため、例えば、圧力変化手段２３としてのピストンを押しこんで閉空間２１内の被検知対象を圧縮する。これにより、例えば、被検知対象の状態が温度ＴＣ、圧力ＰＣとされたとする（図３中、γ点）。被検知対象は液体から固体へと状態変化する。被検知対象が気体および液体である場合と同様、図２に示したような測定限界線をプロットすることができる。固体における測定限界線を図４に示すＳＡ線およびＳＢ線（二点鎖線）とすると、所定の光路長ｄ１に対して、被検知対象の相が固体の場合における測定可能範囲が規定される。なお、液体から固体への状態変化であるため、液体における測定限界線は、気体の測定限界線よりも低濃度側にシフトする。本実施形態では、図４に示すように、濃度Ｃについて、液体における下限濃度の測定限界線であるＬＢ線が、固体における上限濃度の測定限界線であるＳＡ線よりも低濃度側に位置している。すなわち、固体における被検知対象の吸収係数をεＳとすると、数式２および数式３から、数式５を満たすようになっている。
【数５】
2014001982.tif 000007
すなわち、測定可能な濃度範囲が固液連続となっている。
【００４０】
上記したように、被検知対象の相を液体から固体へと状態変化させることにより、液体における測定可能範囲とともに、固体における測定可能範囲を利用することができる。したがって、簡単な構成の光路体１３を有しつつ、測定可能な濃度範囲を拡張することができる。また本実施形態では、測定可能な濃度範囲が固液連続となっていることにより、被検知対象の濃度を連続的に測定することができる。
【００４１】
上記したように、本実施形態では、測定可能な濃度範囲が、気液連続かつ固液連続となっている。このため、従来のように、被検知対象の濃度をただ一つの相のもとで測定する構成に較べて、濃度の測定可能範囲を大幅に拡張することができる。
【００４２】
なお、被検知対象の濃度が測定可能範囲から外れる、とは、ＩＲ検出器１２が透過光を検出できない（濃度が高すぎる）、あるいは透過光と入射光との強度差が見いだせない（濃度が低すぎる）ことを指す。第１制御部１７が状態変化部１４を制御するタイミングとして、被検知対象の濃度が測定可能範囲から外れることを第１制御部１７自体が判断し、自動的に状態変化部１４を制御するようにしてもよいし、使用者が第１制御部１７に命令して状態変化部１４を制御させてもよい。
【００４３】
また、吸収係数εを変更させるもう一つの手段である、ＩＲ検出器１２が検出する光の特定波長λを変更する手段について説明する。
【００４４】
本実施形態におけるＩＲ検出器１２は、上記したように、検出する光の特定波長λを変更することができるようになっている。そして、図１に示すように、ＩＲ検出器１２は、第１制御部１７と通信可能に接続されており、第１制御部１７の制御を受けて、特定波長λの変更が行われる。第１制御部１７は、第１メモリ部１８に記憶された赤外線吸収スペクトル情報に基づいて、ＩＲ検出器１２の分光器（図示せず）を制御し、吸収係数εを変更させる。本実施形態における赤外線吸収スペクトル情報とは、図５に示すように、所定の被検知対象における、吸収係数εの波長依存性を指す。なお、図５は、液体のエタノールに関する赤外線吸収スペクトル情報である。
【００４５】
仮に、被検知対象（例えば、エタノール）の濃度測定を、特定波長λとして、図５の波長ａ（λ≒９．２μｍ）で測定していたとする。このとき、被検知対象の濃度が、規定される測定可能範囲から外れるときには、第１制御部１７がＩＲ検出器１２の分光器を制御して、特定波長λを変更する。具体的には、例えば、特定波長λを波長ａから波長ｂ（λ≒９．５μｍ）に変更する。これにより、図５に示すように、エタノールの吸収係数εが増加する。このため、被検知対象の相が液相から固相に状態変化する場合と同様に、図２に示すような測定限界線を低濃度側にシフトさせることができる。すなわち、濃度の測定可能範囲を低濃度側に変更することができる。または、逆に、特定波長λを波長ａから波長ｃ（λ≒７．３μｍ）に変更する。これにより、図５に示すように、エタノールの吸収係数εが減少する。このため、被検知対象の相が液相から気相に状態変化する場合と同様に、図２に示すような測定限界線を高濃度側にシフトさせることができる。すなわち、濃度の測定可能範囲を高濃度側に変更することができる。
【００４６】
さらに、上記したような、ＩＲ検出器１２において特定波長λが変更可能な構成とすることにより、被検知対象の測定可能な上限濃度を１００％（Ｃ＝１）とすることができる。
【００４７】
図４に示したように、濃度の測定可能範囲がもっとも高濃度側にある相は気相である。したがって、数式２において、Ｃｍａｘ＞１を満たすように、気体における吸収係数εＧを調整することにより、被検知対象の濃度が１００％の場合であっても、本実施形態に係る濃度測定装置１０で濃度を測定することができる。すなわち、数式６を満たすように吸収係数εＧを調整することにより、被検知対象の濃度が１００％の場合であっても、本実施形態に係る濃度測定装置１０で濃度を測定することができる。
【数６】
2014001982.tif 000008
なお、本実施形態では、数式６を満たすようにするために、吸収係数εを変化させる例を示したが、後述するように、光路長ｄが可変とされた光路体１３を用いるような場合は、光路長ｄを変更して数式６を満たすようにしてもよい。
【００４８】
本実施形態では、上記した２つの手段により、吸収係数εを変更する方法を示した。これにより、光路体１３の光路長ｄを変更することなく、測定可能な濃度範囲を拡張することができる。なお、１つ目の手段である、被検知対象の状態変化を伴う方法では、吸収係数εを、数百倍のオーダーで変化させることができる。このため、測定可能な濃度範囲を大幅に変更することができる。一方、２つ目の手段である、特定波長λを変化させる方法では、吸収係数εを、数倍のオーダーで変化させることができる。このため、特定波長λを変化させる方法は、被検知対象の状態変化による方法に較べて、測定可能な濃度範囲の微調整を行いやすい。また、ＩＲ検出器１２の分光器の光学条件を変更するだけで実現できるので、測定可能な濃度範囲の調整が容易である。
【００４９】
第１制御部１７がＩＲ検出器１２の分光器を制御するタイミングとして、被検知対象の濃度が測定可能範囲から外れることを第１制御部１７自体が判断し、自動的にＩＲ検出器１２を制御するようにしてもよいし、使用者が第１制御部１７に命令してＩＲ検出器１２を制御させてもよい。
【００５０】
なお、上記した２つの手段は、それぞれ独立に実施されても良いし、それぞれが連動して実施されても良い。連動して実施される場合、第１制御部１７は、温度センサ１５と圧力センサ１６とから入力される、閉空間２１の温度および圧力と、第１メモリ部１８に記憶された相図情報および赤外線吸収スペクトル情報と、に基づいて、温度変化手段２２、圧力変化手段２３およびＩＲ検出器１２を制御して、閉空間２１における被検知対象の光の吸収係数εを変化させる。
【００５１】
続いて、本実施形態における濃度測定装置１０が備える第２制御部１９の作用効果について説明する。なお、上記したように、第２制御部１９は、通信可能に接続された第２メモリ部２０とともに、アルコールチェッカのような、人間の呼気中に含まれるエタノール濃度を測定する際に使用される要素である。
【００５２】
従来、気体のエタノール濃度を測定する際には、エタノール濃度が１０ｐｐｍ程度であっても１ｍ程度の光路長が必要であった。これに対して、本実施形態では、上記したように、被検知対象（エタノール）の相を気相から液相に変化させて吸収係数εを大きくすることができ、測定可能な下限濃度を低濃度側にシフトさせることができる。これにより、被検知対象の相が気相の場合に較べて光路長を短く設定することができる。
【００５３】
飲酒検知を行うアルコールチェッカでは、被検者の呼気中に含まれるエタノールについて、測定可能な下限濃度が、法規制値よりも低濃度である必要がある。また、光路体の構成の簡素化の観点から、光路長は固定であることが好ましい。本実施形態では、被検知対象の相を変化させることにより、光路長を短く設定しつつ測定可能な下限濃度を低濃度側にシフトできることに加え、第２制御部１９を備える。第２制御部１９は、エタノールを含んだ呼気が空気中に拡散することによるエタノールの希釈量をその場で演算し、測定可能なエタノールの下限濃度が、法規制値よりも低濃度となるように、測定可能な濃度範囲を変更させる。すなわち、エタノールの吸収係数εを変更させる。以下、詳細に説明する。
【００５４】
第２制御部１９は、第２メモリ部２０に記憶された、ＣＢと、ＣＬと、Ｐと、を用いて、測定必要濃度ＣＡＬを数式７のように演算する。
【数７】
2014001982.tif 000009
ここで、ＣＢは第２制御部１９が算出した呼気中の二酸化炭素濃度である。ＣＬは人間の肺内における絶対的な二酸化炭素濃度であり、略４％である。Ｐは法律により定められる酒気帯び運転とされるエタノール濃度であり、例えば、２０１２年５月現在の日本国における道路交通法では、０．１５ｍｇ／Ｌ、すなわち、２５℃において略６７ｐｐｍと規定されている。数式７において、ＣＢ／ＣＬは二酸化炭素の希釈率を表している。したがって、（ＣＢ／ＣＬ）・Ｐは、被検者が法規制値Ｐに等しい濃度のエタノールを呼気中に含んでいる場合に、本実施形態に係る濃度測定装置１０で測定されるエタノール濃度に相当する。本実施形態では、この濃度（ＣＢ／ＣＬ）・Ｐの１／１０を、測定する必要があるエタノール濃度である測定必要濃度ＣＡＬとしている。すなわち、この測定必要濃度ＣＡＬは、呼気が空気中に拡散してエタノールが希釈される希釈率を、肺内の濃度がほぼ決まっている二酸化炭素の濃度を用いて校正することにより求められたものである。
【００５５】
第２制御部１９は、求められた測定必要濃度ＣＡＬが、液体のエタノールにおける測定可能範囲に含まれるように、ＩＲ検出器１２の分光器を制御して吸収係数εを変更する。すなわち、数式３に示す下限濃度Ｃｍｉｎについて、Ｃｍｉｎ＜ＣＡＬを満たすようにＩＲ検出器１２の分光器を制御する。つまり、数式８を満たすようにＩＲ検出器１２の分光器を制御する。
【数８】
2014001982.tif 000010
なお、ＩＲ検出器１２の制御については、第１制御部１７が吸収係数を変更するためにＩＲ検出器１２を制御する場合と同様であるため、詳細は割愛する。
【００５６】
本実施形態における濃度測定装置１０は、上記したような第２制御部１９および第２メモリ部２０を有していることにより、エタノールの空気中への拡散による希釈量を一回の測定ごとに校正しつつ、液体におけるエタノール濃度の測定可能範囲が常に測定必要濃度ＣＡＬを含むようにすることができる。したがって、本実施形態における濃度測定装置１０は、アルコールチェッカとして最適に用いることができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、数式８を満たすようにするために、吸収係数εを変化させる例を示したが、後述するように、光路長ｄが可変とされた光路体１３を用いるような場合は、光路長ｄを変更して数式８を満たすようにしてもよい。
【００５８】
次に、図６および図７を参照し、本実施形態に係る濃度測定装置１０の作用効果について、具体的な被検知対象を例に挙げて説明する。
【００５９】
なお、下記例では、赤外光源１１として、例えば、入射させる赤外線の強度Ｉが６．２ｍＷであり、この強度が波長５μｍ〜１０μｍにおいてほぼ一定であるものを用いる。また、ＩＲ検出器１２の赤外線センサとして、例えば、光量の分解能Δが０．０４５ｍＷのものを用いる。
【００６０】
１．被検知対象がエタノールである例
この例では、第１メモリ部１８に、エタノールの相図情報と、気体のエタノールの赤外線吸収スペクトル情報と、液体のエタノールの赤外線吸収スペクトル情報と、が少なくとも記憶されている。
【００６１】
エタノールが気体の状態において、この例では、特定波長λを９．４μｍとして用いるとする。λ＝９．４μｍにおける気体のエタノールの吸収係数εはεＧ＝３．３×１０−４ｐｐｍ−１ｍ−１である。図２と同様に、数式２および数式３に上記定数を代入することにより、図６の実線（上限線：ＧＡ、下限線ＧＢ）に示すような、気体のエタノールにおける測定限界線をプロットすることができる。例えば、光路体１３の光路長がｄ＝６．４ｍｍであるとすれば、測定可能な濃度範囲は、図６に示すように、１．５×１０３ｐｐｍ以上、１．０×１０６ｐｐｍ（１００％）以下である。この例では、数式６の条件を満たすため、エタノールの測定可能な上限濃度が１００％となる。一方、気体のエタノールでは、エタノールの濃度が１．５×１０３ｐｐｍよりも小さい場合には測定できない。そこで、第１制御部１７が状態変化部１４を制御してエタノールの相を液相に状態変化させるとともに、ＩＲ検出器１２を制御して特定波長λを変更する。
【００６２】
すべてのエタノールを液体に変化させた状態において、この例では、特定波長λを９．２μｍとして用いるとする。λ＝９．２μｍにおける液体のエタノールの吸収係数εはεＬ＝０．１１４ｐｐｍ−１ｍ−１である。図２と同様に、数式２および数式３に上記定数を代入することにより、図６の一点鎖線（上限線：ＬＡ、下限線ＬＢ）に示すような、液体のエタノールにおける測定限界線をプロットすることができる。この例で、光路体１３の光路長は６．４ｍｍであり、測定可能な濃度範囲は、図６に示すように、４．３ｐｐｍ以上、２．９×１０３ｐｐｍ以下である。
【００６３】
この例では、液体におけるエタノールの測定可能な上限線（ＬＡ線）が、気体におけるエタノールの測定可能な下限線（ＧＢ線）よりも高濃度側にある。すなわち、数式４を満たすため、測定可能範囲が気液連続の関係にある。したがって、光路長が一定の簡単な構成の光路体１３を有しつつ、測定可能な濃度範囲を、連続的に、４．３ｐｐｍ以上、１．０×１０６ｐｐｍ（１００％）以下の範囲まで拡張することができる。
【００６４】
２．被検知対象が水である例
この例では、第１メモリ部１８に、水の相図情報と、気体の水の赤外線吸収スペクトル情報と、液体の水の赤外線吸収スペクトル情報と、が少なくとも記憶されている。
【００６５】
水が気体の状態において、この例では、特定波長λを６．０５μｍとして用いるとする。λ＝６．０５μｍにおける気体の水の吸収係数εはεＧ＝２．４×１０−５ｐｐｍ−１ｍ−１である。図２と同様に、数式２および数式３に上記定数を代入することにより、図７の実線（上限線：ＧＡ、下限線ＧＢ）に示すような、気体の水における測定限界線をプロットすることができる。例えば、光路体１３の光路長がｄ＝８８ｍｍであるとすれば、測定可能な濃度範囲は、図７に示すように、１．５×１０３ｐｐｍ以上、１．０×１０６ｐｐｍ（１００％）以下である。この例では、数式６の条件を満たすため、水の測定可能な上限濃度が１００％となる。一方、気体の水では、水の濃度が１．５×１０３ｐｐｍよりも小さい場合には測定できない。そこで、第１制御部１７が状態変化部１４を制御して水の相を液相に状態変化させるとともに、ＩＲ検出器１２を制御して特定波長λを変更する。
【００６６】
すべての水を液体に変化させた状態において、この例では、特定波長λを４．９５μｍとして用いるとする。λ＝４．９５μｍにおける液体の水の吸収係数εはεＬ＝１．８×１０−２ｐｐｍ−１ｍ−１である。図２と同様に、数式２および数式３に上記定数を代入することにより、図７の一点鎖線（上限線：ＬＡ、下限線ＬＢ）に示すような、液体の水における測定限界線をプロットすることができる。この例で、光路体１３の光路長は８８ｍｍであり、測定可能な濃度範囲は、図７に示すように、２．０ｐｐｍ以上、１．３５×１０３ｐｐｍ以下である。
【００６７】
この例では、液体における水の測定可能な上限線（ＬＡ線）が、気体における水の測定可能な下限線（ＧＢ線）よりも低濃度側にある。すなわち、数式４を満たさず、測定可能範囲が不連続となる。すなわち、１．３５×１０３ｐｐｍから１．５×１０３ｐｐｍの範囲の測定を行うことができない。本実施形態の構成において、測定可能な濃度範囲を連続にするには、例えば、液体の水の濃度測定に際して、吸収係数εＬが小さくなるように特定波長λを変更すればよい。または、気体の水の濃度測定に際して、吸収係数εＧが大きくなるように特定波長λを変更すればよい。あるいは、気体の水の測定に際して、圧力変化手段２３を制御して閉空間２１内の圧力を増加させることにより、吸収係数εＧを増加させる方法を採用してもよい。
【００６８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、光路体１３の光路長が固定である例を示した。これに対して、本実施形態では、光路長が可変である例を示す。
【００６９】
図８に示すように、光路体１３のうち、赤外光源１１とＩＲ検出器１２の間であって、被検知対象の濃度測定に用いられる、光が透過する部分の光路長を可変にする可動部３０が設けられている。可動部３０は、例えば、圧電体で形成され、赤外光源１１からＩＲ検出器１２に向かう光に進行方向と平行な方向に伸縮変形できるようになっている。すなわち、可動部３０の変形により、赤外光源１１から放射された光が光路体１３に入射する入射面３１と、光路体１３からＩＲ検出器１２へ透過していく透過面３２と、の間の距離（光路長）が、可変になっている。なお、本実施形態の構成は、光路長が可変になっていることを除いて、第１実施形態と同様であるので、詳細の記載を省略する。また、図８についても、各制御部１７，１９、各メモリ部１８，２０、および、温度センサ１５、圧力センサ１６の図示を省略している。
【００７０】
このような構成では、被検知対象の相転移や特定波長の変更による方法だけでなく、光路長を変化させる方法によって、被検知対象の濃度の測定可能範囲を調整することができる。具体的には、可動部３０を駆動させ、入射面３１と透過面３２とが互いに離れる方向に変位させることによって光路長を大きくすることができる。これにより、測定可能な濃度範囲を低濃度側にシフトさせることができる。逆に、入射面３１と透過面３２とが互いに近づく方向に変位させることによって光路長を小さくすることができる。これにより、測定可能な濃度範囲を高濃度側にシフトさせることができる。
【００７１】
第１実施形態では、被検知対象の濃度が１００％の場合の測定を可能とするために、気体における吸収係数εＧを調整する方法を示した。これに対して、本実施形態では、上記したような効果を奏するため、光路長ｄを変更することによっても数式６を満たすようにすることができる。したがって、吸収係数のみで数式６を満たさせることが困難な場合であっても、光路長を変化させることにより、被検知対象の測定可能な上限濃度を１００％とすることができる。
【００７２】
また、第１実施形態では、液体におけるエタノール濃度の測定可能範囲が常に測定必要濃度ＣＡＬを含むようにするために、液体における吸収係数εＬを調整する方法を示した。これに対して、本実施形態では、上記したような効果を奏するため、光路長ｄを変更することによっても数式８を満たすようにすることができる。したがって、吸収係数のみで数式８を満たさせることが困難な場合であっても、光路長を変化させることにより、エタノール濃度の測定可能範囲が常に測定必要濃度ＣＡＬを含むようにすることができる。
【００７３】
さらに、被検知対象の相転移による吸収係数の変化を利用して測定可能な濃度範囲を拡張しても、第１実施形態に示した水の例のように、測定可能範囲が気液連続あるいは固液連続にならないことがある。このような場合には、測定時の被検知対象の相によって光路長を変更させることにより、測定可能範囲の連続性を確保することができる。以下、水の例について、図９を用いて説明する。
【００７４】
本実施形態でも、液体の水の濃度測定では、第１実施形態と同様に、光路長ｄ＝８８ｍｍとすることにより、測定可能な濃度範囲が、１．５×１０３ｐｐｍ以上、１．０×１０６ｐｐｍ以下、となる。第１実施形態に記載した水の例では、光路長が８８ｍｍとされたままで、液体の水についても濃度の測定を行うと、気液連続にならないことを示した。これに対して、本実施形態では、光路体１３が可動部３０を有することにより、光路長ｄを変更することができる。例えば、液体の水の濃度測定を行う場合に、光路長をｄ＝８０ｍｍとする。このような光路長とすることにより、図９に示すように、液体の水における測定可能な濃度範囲を、２．２ｐｐｍ以上、１．５×１０３ｐｐｍ以下、とすることができる。すなわち、２．２ｐｐｍ以上、１．０×１０６ｐｐｍ（１００％）の範囲で、連続的に濃度を測定することができる。
【００７５】
（第３実施形態）
上記した各実施形態では、光路体１３のうち、赤外光源１１から放射された光が透過する部分が一つである例を示した。これに対して、本実施形態では、赤外光源１１から放射された光が透過する部分が複数形成されている。
【００７６】
図１０に示すように、本実施形態では、光路体１３が第１分岐路４０と第２分岐路４１とを有する。第１分岐路４０における光路長は、第２分岐路４１よりも大きくなっている。また、第１分岐路４０および第２分岐路４１は、切替封止バルブ４２を介して、光路体１３のうち、状態変化部１４が設けられた部分（以下、基部４３という）と接続されている。すなわち、切替封止バルブ４２により、基部４３の内部空間と第１分岐路４０の内部空間とが連通されたときには、基部４３の内部空間と第１分岐路４０の内部空間とで閉空間２１を形成する。また、切替封止バルブ４２により、基部４３の内部空間と第２分岐路４１の内部空間とが連通されたときには、基部４３の内部空間と第２分岐路４１の内部空間とで閉空間２１を形成する。なお、本実施形態の構成は、光路体１３が分岐路４０，４１を有することを除いて、第１実施形態と同様であるので、詳細の記載を省略する。また、図１０についても、各制御部１７，１９、各メモリ部１８，２０、および、温度センサ１５、圧力センサ１６の図示を省略している。
【００７７】
このような構成では、被検知対象の相によって測定に用いる分岐路４０，４１を切り替えることにより、第２実施形態に記載したような光路長を変化させることと同様の作用効果を奏することができる。例えば、第１実施形態に示した水の例のように、測定可能範囲が気液連続あるいは固液連続にならないことがある。このような場合には、測定時の被検知対象の相によって被検知対象が充填される分岐路４０，４１を切り替えることにより、光路長を変更させ、測定可能範囲の連続性を確保することができる。具体的には、第１実施形態に示した水の例について、第１分岐路４０の光路長をｄ＝８８ｍｍとし、第２分岐路４１の光路長をｄ＝８０ｍｍとする。そして、気体の水の測定に際しては第１分岐路４０と基部４３を連通させて（ｄ＝８８ｍｍで）測定を行い、液体の水の測定に際しては第２分岐路４１と基部４３を連通させて（ｄ＝８０ｍｍで）測定を行う。これにより、相の状態が異なる被検知対象に対して、それぞれ対応した光路長で濃度の測定を行うことができる。したがって、第２実施形態と同様に、２．２ｐｐｍ以上、１．０×１０６ｐｐｍ（１００％）の範囲で、連続的に濃度を測定することができる。
【００７８】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００７９】
上記した各実施形態では、第１制御部１７および第２制御部１９の両方を備えた濃度測定装置１０を示した。しかしながら、第１制御部１７および第２制御部１９のいずれか一方のみを備えていてもよいし、どちらも備えていない構成としてもよい。第１制御部１７および第２制御部１９のいずれも備えていない構成とする場合には、状態変化部１４の制御およびＩＲ検出器１２の特定波長の調整は使用者により行われる。
【００８０】
また、濃度測定装置１０をアルコールチェッカとして利用する場合、上記した各実施形態では、呼気が空気中に拡散してエタノールが希釈される希釈率を、肺内の濃度がほぼ決まっている二酸化炭素の濃度を用いて、その場で校正する例を示した。しかしながら、必ずしも、その場で希釈率を校正する必要はない。すなわち、測定必要濃度ＣＡＬを、既知の希釈率を用いて算出し、固定値として第２メモリ部２０に記憶させておいてもよい。具体的には、非特許文献（IEEE SENSORS JORNAL, VOL. 10, NO. 1, JANUARY 2010:Breth Analyzer for Alcolocks and Screening Devices, Bertil Hok et.al.）に基づき、希釈率をＣＢ／ＣＬ＝０．１とし、法規制値としてＰ＝０．１５ｍｇ／Ｌ≒６７ｐｐｍとする。数式７にこれらの値を代入すると、ＣＡＬ≒０．５ｐｐｍ（比率としては５×１０−７）となる。したがって、濃度測定装置１０をアルコールチェッカとして利用する場合、光路長ｄと、液体のエタノールの吸収係数εＬとが、数式９を満たすようにＩＲ検出器１２の分光器を制御すればよい。
【数９】
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この例のように、エタノールの希釈率をその場で校正せず、予め固定の測定必要濃度ＣＡＬを利用することにより、校正に要する時間を削減することができ、測定を迅速に行うことができる。ただし、第１実施形態に記載したように、エタノールの希釈率の校正をその場で行うようにすれば、より高い精度でアルコールチェックが可能になる。
【００８１】
また、ＩＲ検出器１２で検出可能な赤外線の特定波長として、８．５μｍ以上、１０μｍ以下の範囲を含むことが望ましい。この波長域は、図１１および図１２に示す赤外線吸収スペクトル情報において、実線で示すように、気体および液体のエタノール特有の吸収係数ピークを含む波長域である。この波長域を用いることにより、被検知対象に含まれるエタノール以外の物質との分離が容易となり、濃度測定の精度を向上させることができる。
【００８２】
また、ＩＲ検出器１２で検出可能な赤外線の特定波長として、５μｍ以上、７μｍ以下の範囲を含むことが望ましい。この波長域は、図１１および図１２に示す赤外線吸収スペクトル情報において、一点鎖線で示すように、気体および液体の水特有の吸収係数ピークを含む波長域である。この波長域を用いることにより、被検知対象に含まれる水以外の物質との分離が容易となり、濃度測定の精度を向上させることができる。
【００８３】
なお、上記した各実施形態では、第１制御部１７が状態変化部１４を制御する際に、被検知対象の相がどの相であるかを、第１メモリ部１８に記憶された相図情報に基づいて判断する例を示した。しかしながら、この例に限定されるものではなく、例えば、第１メモリ部１８に記憶された固相、液相および気相の、すべての赤外線吸収スペクトル情報に基づいて、相の状態を判断することもできる。これは、相の状態により、吸収係数のピークがシフトする事実に基づくものである。ピークのシフト量と、吸収係数の変化を勘案することにより、第１制御部１７は、被検知対象の相が、固相、液相および気相の、いずれの状態にあるのかを判断することができる。
【００８４】
なお、上記した各実施形態では、温度変化手段２２として、ペルチェ素子を用いる例を示したが、これに限定されるものではない。昇温させる手段として、ヒーターを用いても良いし、降温させる手段として、コンプレッサを用いても良い。
【符号の説明】
【００８５】
１０・・・濃度測定装置
１１・・・赤外光源
１２・・・ＩＲ検出器
１３・・・光路体
１４・・・状態変化部
１５・・・温度センサ
１６・・・圧力センサ
２２・・・温度変化手段
２３・・・圧力変化手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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