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Vorrichtung und Verfahren zur Messung
einer Gas-Konzentration Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas, mit einer
Außenelektrode,
die mit einem Festkörperelektrolyten
verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer mit dem Festkörperelektrolyten
verbundenen Elektrode, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes
Sauerstoff pumpbar ist, wobei zwischen Elektrode und Außenelektrode
eine den Pumpstrom treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter
auf ein Verfahren zum Messen einer Gas-Konzentration in einem Messgas
mittels eines Messaufnehmers, der aufweist, eine Außenelektrode,
die mit einem Festkörperelektrolyten
verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten
verbundene Elektrode, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten
fließenden Pumpstromes
Sauerstoff pumpbar ist, wobei der Pumpstrom zwischen Elektrode und
Außenelektrode getrieben
wird.
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Zur Messung der NOx-Konzentration
in einem Messgas, z.B. dem Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es
bekannt, einen Dickschichtmessaufnehmer zu verwenden. Ein solcher
Messaufnehmer ist beispielsweise in der
DE 199 07 947 A1 beschrieben.
Dieser Messaufnehmer weist zwei Messzellen in einem Körper aus
sauerstoffionenleitendem Zirkoniumoxid auf. Er verwirklicht folgendes
Messkonzept: in einer ersten Messzelle, der das Messgas über eine Diffusionsbarriere
zugeführt
wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine
erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung
von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Messzelle, die mit der
ersten über
eine weitere Diffusionsbarriere verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt
mittels eines zweiten Sau erstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt.
Die Zersetzung von NOx an einer in der zweiten Messzelle befindlichen
Messelektrode führt
zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration
ist. Der gesamte Messaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen
Heizers auf eine erhöhte
Temperatur, z.B. 750°C,
gebracht.
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Zum Einstellen der Sauerstoffionen-Pumpströme wird
in den jeweiligen Messzellen eine Nernstspannung abgegriffen, wobei
immer Bezug genommen wird auf einen Sauerstoffgehalt, dem eine Referenzelektrode
ausgesetzt ist, üblicherweise dem
der Umgebungsluft.
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Für
die Pumpströme
werden Stromquellen eingesetzt, die in einer Regelung die Sauerstoffkonzentration
auf einen Zielwert bringen. Die Güte der Stromquellen ist damit
für die
erreichbare Messgenauigkeit und -nachweisgrenze wichtig. Dies gilt besonders
für die
Stromquelle, die zwischen Messelektrode und Außenelektrode geschaltet ist.
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Das Erfordernis, den Pumpstrom genau
einzustellen, bringt erhebliche Anforderungen an den Temperaturgang
der den jeweiligen Pumpstrom treibenden Schaltung, also der Pumpstromquelle,
mit sich. Dasselbe gilt hinsichtlich störender Leckströme, die
sich ebenfalls negativ auf die Konstanz und die Genauigkeit des
Pumpstromes, der die Sauerstoffkonzentration einstellt, auswirken.
Letzterer Nachteil hat insbesondere bei kleinen Pumpströmen Bedeutung,
wie sie von der Messelektrode zur Außenelektrode auftreten.
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Die Anforderungen an Temperaturkonstantheit
und geringes Leckstromniveau könnten
zwar durch Verwendung eines pulsweitenmodulierten Pumpstroms gemindert
werden, jedoch stellt sich damit an der Elektrode eine gewisse Modulation
der Sauerstoffkonzentration ein, was entsprechende Anforderungen
an die Unempfindlichkeit der Elektrode gegenüber schwankenden Sauerstoffkonzentrationen
bedingt. Dadurch kann die Lebens dauer der Elektrode und damit der
Messvorrichtung herabgesetzt sein. Auch wird die Messgenauigkeit
gemindert.
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In der
DE 102 16 724 C1 ist ein
Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde für die Bestimmung
der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch
betriebenen Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei wird an die Pumpzelle
der Sonde eine Pumpspannung angelegt, die abhängig von einer an der Nernststelle
abgenommenen Nernstspannung eingestellt wird und je nach Sauerstoffgehalt
des Abgases einen kathodischen oder anodischen Pumpstrom über die
Pumpzelle treibt. Um auch bei Kraftstoffnacheinspritzung im Magerbetrieb
und/oder im „fast
light off" die Messempfindlichkeit
der Sonde aufrecht zu erhalten, wird während der Dauer einer Kraftstoffnacheinspritzung und/oder
des „fast
light off" die Pumpspannung
wiederholt umgepolt, sodass sich kurzfristig ein anodischer Pumpstrom
einstellt, der in den mit Messelektrode der Nernstzelle und Innenelektrode
der Pumpzelle belegten Messraum Sauerstoffionen hineinpumpt, die
dort die Kohlenwasserstoffe oxidieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
eingangs geschilderte Vorrichtung bzw. das eingangs genannte Verfahren
derart fortzubilden, dass die Elektrode geringer belastet wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die Pumpstromeinheit periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen
mit derselben Pulsbreite abgibt, wobei die Pulsbreite zur Einstellung
derselben Pegels des Pumpstromes veränderbar ist.
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Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
als Pumpstrom periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen
mit derselben Pulsbreite verwendet wird, wobei die Pulsbreite zur
Einstellung eines Pegels des Pumpstromes eingestellt wird.
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Die Erfindung beschreitet also einen
Mittelweg zwischen einem Gleichstrom und einem rein pulsweitenmodulierten
Pumpstrom und verbindet dadurch überraschenderweise
die Vorteile dieser beiden Konzepte. Temperaturgang der Schaltung
und Leckströme
wirken sich im wesentlichen nur während dem relativ kurzzeitig
eingeschalteten Pumpstrom aus außerhalb der Einzelpulse fließt nur ein
im Verhältnis
dazu vernachlässigbarer
Leckstrom. Zugleich ist durch die Pulsfolge die Modulation des Sauerstoffgehaltes
an der Elektrode deutlich geringer, als wenn eine pulsweite Modulation
mit einem hinsichtlich seiner Breite modulierten Einzelpuls mit
fester Pulsfrequenz verwendet würde.
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Dadurch, dass in der Pulsfolge mehrere
Einzelpulse vorliegen, kann die Pulshöhe bei Auslegung für gleiche
effektive Stromhöhe
gering gehalten werden, wodurch die Sauerstoffmodulation klein ist,
was sich positiv auf das Alterungsverhalten der E lektrode und die
Messgenauigkeit auswirkt. In den Pausen, in denen keine Einzelpulse
der Pulsfolge auftreten, kann eine Messung ohne jegliche Beeinflussung durch
Pumpstromänderungen
durchgeführt
werden, insbesondere treten dann keine Beeinträchtigungen durch steigende
oder fallende Flanken des Pumpstroms auf. Das gleiche gilt hinsichtlich
einer getakteten Heizung.
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Die erfindungsgemäße Pumpstromgestaltung kann
für alle
Pumpstromquellen des Messaufnehmers verwendet werden. Besondere
Vorteile hinsichtlich Messsignalverbesserung ergeben sich bei der
Verwendung für
die Pumpstromquelle, die einen Sauerstoffionen-Pumpstrom zwischen
Außenelektrode
und Messelektrode treibt.
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Die Einzelpulse der Pulsfolge werden
in ihrer Pulsbreite verändert,
wobei alle Einzelpulse einer Pulsfolge dieselbe Pulsbreite aufweisen.
Die Pumpstromsteuerung kann dabei besonders einfach ausfallen, wenn
die Einzelpulse steigende Flanken mit festem zeitlichen Abstand
zueinander aufweisen. Die Zahl der Einzelpulse und der feste zeitliche
Abstand bestimmen dann das maximale Tastverhältnis, d.h. den Anteil der
Periode, mit der die Pulsfolge wiederholt wird, den die Einzelpulse
einnehmen können.
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Die Zahl der Einzelpulse ist applikationsabhängig einstellbar.
Zweckmäßig sind
Pulsfolgen mit 2 bis 10 Einzelpulsen. Letztlich hängt dies
von der Pumpstromquelle ab bzw. der Frequenz, mit der diese angesteuert
werden kann.
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Ein besonders günstiges Ansteuerverhältnis für NOx-Aufnehmer
erhält
man bei einem festen zeitlichen Abstand der steigenden Flanken,
der zwischen 1/20 und 1/4 der Periode der Pulsfolge liegt.
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Die Einstellung der Pulsbreite kann
mit einem geeigneten Regler erfolgen. Dieser ist besonders einfach
ausführbar,
wenn ein Mikrocontroller verwendet wird, der die Pumpstromeinheit
hinsichtlich der Pulsbreite der Einzelpulse ansteuert.
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Eine besondere Flexibilität der Pumpstromsteuerung
erhält
man, wenn die Anzahl der Einzelpulse veränderbar ist. Durch Zuschalten
bzw. Abschalten zusätzlicher
Einzelpulse kann dabei die Modulationsbreite vergrößert bzw.
verkleinert werden, so dass dann ein Modulationsgrad bis zu 100%
möglich ist.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn in einer Startphase eines Messstromaufnehmers
ein deutlich höherer
Pumpstrom als während
des später
folgenden, normalen Betriebes gefordert ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Messaufnehmer mit
zugehöriger Beschaltung,
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2 eine
Zeitreihe des Pumpstromes, der eine periodisch wiederholte Pulsfolge
mit Einzelpulsen aufweist, und
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3 ein
Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für den Messaufnehmer der 1.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch einen NOx-Messaufnehmer, der die NOx-Konzentration
im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine erfasst. Dieser aus einem
Festkörperelektrolyten,
im Beispielfall ZrO2, gebildete Messaufnehmer 1 nimmt über eine
Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen
NOx-Konzentration bestimmt werden soll. Der gesamte Messaufnehmer 1 wird
durch einen getaktet bestromten Heizer 13 auf Betriebstemperatur
gebracht.
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Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in
eine erste Messzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser
Messzelle 4 wird durch Abgriff einer ersten Nernstspannung
V0 zwischen einer ersten Elektrode 5, die sich in der ersten
Messzelle 4 befindet und einer Referenzelektrode 11 gemessen,
die in einer Referenzzelle 12 angeordnet ist. Die Referenzzelle 12 ist
gegenüber
der Umgebungsluft weitgehend abgeschlossen, wobei geeignete Maßnahmen zum
Druckausgleich bei wechselndem Umgebungsdruck getroffen sind. Im
Ausführungsbeispiel
ist dazu eine Druckausgleichsöffnung 14 in
Form eines Pinhole vorgesehen.
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Die Nernstspannung V0 ist auf den
Sauerstoffgehalt in der Referenzzelle 12 bezogen, in der sich
die Referenzelektrode 11 befindet. Die Bedeutung dieses
Sachverhalts wird später
noch eingehender erläutert.
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Eine erste Schaltkreisanordnung stellt
in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration
ein. Dazu wird die erste Nernstspannung V0 von einem Regler abgegriffen,
der eine spannungsgesteuerte Stromquelle U0 stellt, welche einen ersten
Sauerstoffionenpumpstrom Ip0 durch den Festkörperelektrolyten 2 des
Messaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und
einer Außenelektrode 6 treibt.
Dabei wird in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte
Sauerstoffkonzentration eingerichtet, die über die Nernstspannung V0 zwischen
der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen wird.
Die zur Regelung nötige
Erfassung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms Ip0 erfolgt über die
bekannte Charakteristik der Pump-Stromquelle U0, aufgrund der der
Pumpstrom direkt mit einer Stellspannung verknüpft ist.
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Die zweite Messzelle 8 ist
mit der ersten Messzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden.
Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der
ersten Messzelle 4 vorhandene Gas in die zweite Messzelle 8.
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In der zweiten Messzelle stellt eine
zweite Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration
ein. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der
Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung V1 abgegriffen
und einem Regler zugeführt,
der eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle U1 stellt, mit der
ein zweiter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip1 aus der zweiten Messzelle 8 heraus
getrieben wird, um den Sauerstoffgehalt in der zweiten Messzelle 8 weiter
zu reduzieren. Auch hier wird für
die Regelung des zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes Ip1 die Charakteristik der
Stromquelle U1 ausgenutzt.
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Die zweite Schaltkreisanordnung regelt
den zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip1 so, dass sich in der zweiten
Messzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt.
Diese ist dabei so groß,
dass NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbesondere
nicht zersetzt wird. Das NOx wird nun in der zweiten Messzelle 8 an
einer Messelektrode 10, die katalytisch ausgestaltet sein
kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 von der Messelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin
gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Messzelle 8 so
weit abgesenkt ist, dass der Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 im wesentlichen
nur von Sauerstoffionen getragen wird, die aus der Zersetzung von
NOx an der Messelektrode 10 stammen, ist der Pumpstrom
Ip2 ein Maß für die NOx-Konzentration
in der Messzelle 8 und somit im zu messenden Abgas. Der
dritte Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip2 wird ebenfalls von einer spannungsgesteuerten
Stromquelle U2 getrieben, die unter Messung einer dritten Nernstspannung
V2 geregelt wird. Dabei ist analog zu den bereits erwähnten Pumpströmen ein
Regler vorgesehen, welcher die dritte Nernstspannung V2 zwischen
der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift.
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Um bei den Messungen der Nernstspannungen
ein konstantes Bezugspotential in der Referenzelektrode 11 zur
Verfügung
zu haben, ist die Referenzzelle 12 gegenüber der
Umgebungsluft im wesentlichen abgeschlossen. Weiter wird, unvermeidbarer
Diffusionsprozesse wegen, in der Referenzzelle 12 ein gegenüber der
Umgebung erhöhter
Sauerstoffpartialdruck eingestellt, indem mittels einer vierten
gesteuerten Stromquelle U3 ein vierter Sauerstoffionen-Pumpstrom
Ip3 von der Außenelektrode
zur Referenzelektrode 11 getrieben wird, der Sauerstoff in
die Referenzzelle 12 hineinpumpt. Die Stromquelle U3 wird
dabei mittels einer Stellspannung VS gesteuert, die von einem Controller
C abgegeben wird. Optional ist hier, wie für alle Stromregelungen, auch
eine analoge Schaltung möglich.
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Die Pumpströme werden dabei nach folgendem,
in 2 dargestelltem Schema
eingestellt, in dem beispielshalber auf den dritten Pumpstrom Ip2 Bezug
genommen wird.
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In 2 ist
eine Zeitreihe des Pumpstromes I dargestellt. Wie zu sehen ist,
wird eine Pulsfolge mit einer Periode T wiederholt. Die Pulsfolge
besteht aus drei Einzelpulsen, einem ersten Einzelpuls 15,
einem mittleren Einzelpuls 16 und einem letzten Einzelpuls 17,
die alle dieselbe Pulsbreite W und dieselbe Pulshöhe H aufweisen.
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Während
die Pulshöhe
H festbleibt, wird die Pulsbreite W zur Einstellung des Pegels des Pumpstromes
Ip2 verändert.
Dabei haben eine steigende Flanke 18 des ersten Einzelpulses 15,
eine steigende Flanke 20 des mittleren Einzelpulses 16 und
eine steigende Flanke 22 des letzten Einzelpulses 17 einen
festen zeitlichen Abstand zueinander. Die Veränderung der Breite W erfolgt
dadurch, dass eine fallende Flanke 19 des ersten Einzelpulses 15, eine
fallende Flanke 21 des mittleren Einzelpulses 16 sowie
eine fallende Flanke 23 des letzten Einzelpulses 17 gegenüber den
jeweiligen steigenden Flanken 18, 20, 22 zeitlich
verändert
werden. Eine Verzögerung
bewirkt eine Vergrößerung der
Pulsbreite W, eine Voreilung eine Verkürzung.
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Die in 2 gezeigte
Pulsfolge wird nach Ablauf der Periode T wiederholt, wobei die Regelung dann
eine Veränderung
der Pulsbreite W mit sich bringen kann.
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Der feste zeitliche Abstand zwischen
den steigenden Flanken 18, 20 und 22 hat
bei der in 2 dargestellten
Pulsfolge mit drei Einzelpulsen 15, 16 und 17 zur
Folge, dass der Modulationsgrad, d.h. der Anteil der Periode T,
in dem der Pumpstrom den Pegel H hat, deutlich unter 100 bleibt.
Um ihn zu erhöhen
ist es möglich,
kurzzeitig zusätzliche
Einzelpulse zuzuschalten.
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Diese Erhöhung des Modulationsgrades
wird in Startphasen des Messaufnehmers nach folgendem in 3 gezeigten Verfahren durchgeführt, um eine
beschleunigte In-Betrieb-Setzung zu erreichen:
Nach einem Schritt
S0, in dem das Verfahren gestartet wird, werden zuerst in einem
Schritt S1 bei der Modulation die Einzelpulse auf eine möglichst
große Breite
W gestellt. Die große
Breite W bewirkt einen hohen mittleren Strompegel Ig, der so gewählt ist, dass
er noch keine Zerstörung
oder übermäßige Degradation
der ihn führenden
Außenelektrode 6,
des Festkörperelektrolyten 2 sowie
der Messelektrode 9 zur Folge hat. Er ist jedoch so groß, dass
die durch Übergangswiderstände verursachte
Spannung keine ausreichend fehlerunbehaftete Messung der entsprechenden
Nernstspannung erlauben würde.
Deshalb wird in dieser Startphase, in der der dritte Pumpstrom Ip2
von der Außenelektrode 6 zur
Messelektrode 9 Sauerstoff transportiert, kein weiterer
Messbetrieb des Messaufnehmers 1 vorgenommen. In einem Schritt
S2 wird die Zeitdauer seit Einschalten des Pumpstromes Ip2 mit der
großen
Pulsbreite W erfasst.
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Erst wenn in einem Schritt S3 festgestellt wird,
dass der hohe mittlere Strompegel Ig eine gewisse Zeit T1 floss,
wird mit Schritt S4 fortgefahren, ansonsten wird vor den Zeitmessschritt
S2 zurückgesprungen.
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Im Schritt S4 wird durch Verkürzen der
Breite W der Pumpstrom Ip2 von der Außenelektrode 6 zur Messelektrode 9 auf
einen deutlich geringeren mittleren Strompegel Ik reduziert. Der
geringe mittlere Strompegel Ik ist so gewählt, dass der Sauerstoffionen-Pumpstrom
Ip2 dann für
die Messung geeignet ist. Der geringe mittlere Strompegel Ik verfälscht die Erfassung
der Nernstspannungen nunmehr nicht in unzulässigem Maß, so dass der Messbetrieb
durchgeführt
wird, bis in einem Schritt S5 der Betrieb des Messaufnehmers 1 beendet
wird.