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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration
in einem Messgas, die aufweist eine Außenelektrode, die mit einem
Festkörperelektrolyten
verbunden und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten
verbundenen Referenzelektrode, über
der mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes
eine konstante Sauerstoffkonzentration einstellbar ist, die sich
von der Sauerstoffkonzentration im Messgas unterscheidet, wobei
zwischen Referenzelektrode und Außenelektrode eine den Pumpstrom
treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist und die Vorrichtung durch
eine elektrische Heizeinrichtung geheizt wird. Die Erfindung bezieht
sich weiter auf ein Verfahren zum Messen der NOx-Konzentration in
einem Messgas, wobei in einer elektrisch beheizten Vorrichtung mit
einer Außenelektrode,
die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden
und dem Messgas ausgesetzt ist, und einer ebenfalls mit dem Festkörperelektrolyten
verbundenen Referenzelektrode über
einen von der Außenelektrode
zur Referenzelektrode getriebenen Pumpstrom Sauerstoff vom Messgas
von der Außenelektrode
zur Referenzelektrode transportiert 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 und 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 Sauerstoffionen-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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Es
stellt sich jedoch das Problem, dass je nach Anwendung des Messaufnehmers
mitunter diese zur Gewinnung des Bezugspotentials verwendete Sauerstoffkonzentration
zu stark schwankt. So kann beispielsweise in größeren Höhen eine geringere Sauerstoffkonzentration
zu einer nicht tolerierbaren Messverfälschung führen. Ähnliches gilt, wenn verunreinigende
Gase, beispielsweise gasförmige
Kohlenwasserstoffe, in den Bereich der Referenzelektrode gelangen.
Dies kann bei Anwendungen im Automobilbereich der Fall sein, wenn
der Messaufnehmer in einem Kraftfahrzeug beispielsweise über einer Benzinpfütze zu liegen
kommt.
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Um
diese Problematik zu vermeiden, kann, wie die gattungsgemäße, in der
DE 43 33 231 A1 beschriebene
Vorrichtung vorsieht, durch Sauerstoffpumpen von der dem Messgas
ausgesetzten Außenelektrode
zur Referenzelektrode hin über
der Referenzelektrode gezielt eine erhöhte Sauerstoffkonzentration
eingestellt werden, die von Schwankungen unabhängig ist und dann als Bezugskonzentration dient.
Der absolute Wert der dabei eingestellten erhöhten Sauerstoffkonzentration über die
Referenzelektrode ist für
das Messverfahren von untergeordneter Bedeutung, so lang dieser
Wert nur gleichbleibend vor liegt, da das eingangs erläuterte Sensorkonzept
bei der Nernstspannungsmessung nur Relativmessungen bezogen auf
das chemische Sauerstoffpotential an der Referenzelektrode vornimmt.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass auch bei konstantem Pumpstrom Messgenauigkeitsschwankungen
auftreten.
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Aus
EP 0 153 830 B1 ist
eine Abtasteinrichtung für
das Luft/Brennstoffverhältnis
für eine
Maschine beschrieben, bei der über
Messung eines durch einen Pumpstrom durch einen Festelektrolyten erzeugten
Spannungsabfalls über
einen gegebenen Widerstand ein Innenwiderstand des Festelektrolyten und
daraus dessen Temperatur ermittelt wird. Die Größe des gemessenen Pumpstroms
wird in Abhängigkeit
von der Temperatur korrigiert.
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EP 0 841 562 A2 beschreibt
einen NOx-Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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DE 199 07 947 A1 beschreibt
einen NOx-Messaufnehmer, bei dem Nernstspannungen, die als Führungsgröße zur Regelung
eines Sauerstoffionen-Pumpstroms von digitalen Reglern verwendet
werden, zuvor von einer Konditionierschaltung vorverarbeitet werden,
die die Nernstspannung verstärkt
und verschiebt. Dadurch kann ein Mikrocontroller mit einem 8-Bit-A/D-Wandler
verwendet werden und es werden A/D-Ports eingespart.
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Auch
bei diesen Vorrichtungen sind die genannten Probleme zu erwarten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte
Vorrichtung bzw. das eingangs erläuterte Verfahren derart fortzubilden,
dass eine genauere Messung möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas
gelöst,
die aufweist eine Außenelektrode,
die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden
und dem Messgas ausgesetzt ist, und eine mit dem Festkörperelektrolyten
verbundenen Referenzelektrode, über
der mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes
eine konstante Sauerstoffkonzentration einstellbar ist, die sich
von der Sauerstoffkonzentration im Messgas unterscheidet, wobei
zwischen Referenzelektrode und Außenelektrode eine den Pumpstrom
treibende Pumpstromeinheit geschaltet ist, die Vorrichtung durch
eine elektrische Heizeinrichtung geheizt wird und die Pumpstromeinheit
einen oder mehrere Betriebsparameter der Heizeinrichtung erfasst
und den Pumpstrom abhängig
vom Messwert einstellt.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei Gassensoren eine
Messsignalverfälschung mitunter
von Einflüssen
der Sensorheizung herrühren
kann. Der Erfinder erkannte dabei, dass es insbesondere bei Sensoren
auf der Basis von Zirkoniumoxid durch eine unzureichende elektrische
Isolation der Heizung gegenüber
dem restlichen Sensorkörper zu
einer Verschiebung der Spannungspotentiale in Abhängigkeit
von Betriebsparametern der Heizung kommen kann. Als ein möglicher
beeinflussender Betriebsparameter hat sich dabei die Versorgungsspannung
des Sensors, mit der auch die elektrische Heiz einrichtung betrieben
wird, herausgestellt. Aber auch andere Betriebsparameter, wie beispielsweise
die Höhe
oder das Tastverhältnis
eines Heizstromes können
eine solche Spannungspotentialverschiebung verursachen.
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Diese
Potentialverschiebung führt
zu einem veränderten
Pumpverhalten von Sauerstoff zur Referenzelektrode hin. Es tritt
dabei ein unerwünschtes Pumpen
auf, das man auch als parasitäres
Pumpen bezeichnen könnte.
Dadurch stellt sich eine unerwünscht
veränderte
Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode ein.
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Da
die Sauerstoffkonzentration als Referenzpunkt für andere Pump- und Konzentrationsbestimmungsvorgänge im Sensor
dient, hat eine Veränderung
der Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode automatisch
eine unerwünschte
und nicht bekannte Verschiebung der Arbeitspunkte im Sensor bzw.
an den einzelnen Elektroden des Sensors zur Folge. Dadurch wird
nicht nur die Messgenauigkeit des Sensors, sondern auch die Querempfindlichkeit und
das Alterungsverhalten unvorteilhaft verändert.
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Diese
Problematik könnte,
prinzipiell durch eine Veränderung
der Isolation der Heizung gegenüber
dem Sensorkörper
angegangen werden, jedoch ist dieser denkbare Ansatz mit großem Aufwand
bei der Sensorherstellung verbunden. Alternativ wäre es möglich, die
verschiedenen Arbeitspunkte beim Betrieb des Sensors in Abhängigkeit
von der Versorgungsspannung anzupassen. Gegenüber der zuvor geschilderten
Veränderung
des Sensorkörpers
stellt dies jedoch lediglich ein nachträgliches Korrigieren von bereits
aufgetretenen Störungen
dar.
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Die
oben geschilderte Lösung
der eingangs erwähnten
Aufgabe hat demgegenüber
den zusätzlichen
Vorteil, dass eine Verschiebung der Spannungspotentiale gar nicht
erst auftritt, da durch die Berücksichtigung
des Betriebsparameters der Heizeinrichtung bei der Wahl des Pumpstroms
zur Referenzelektrode hin eine gleichbleibende Sauerstoffkonzentration
an der Referenzelektrode sichergestellt und folglich eine Verschiebung
der darauf bezogenen Spannungspotentiale ausgeschlossen ist. Durch
die derart verbesserte Konstanthaltung der Sauerstoffkonzentration
an der Referenzelektrode wird die Genauigkeit des Sensors verbessert.
Zusätzlich
werden die einzelnen Arbeitspunkte, die im Betrieb des Sensors einzuhalten
sind, genauer angefahren, was sich vorteilhaft auf Querempfindlichkeits- sowie
Alterungsverhalten des Sensors auswirkt.
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Die
geeignete Berücksichtigung
des Betriebsparameters der Heizeinrichtung kann auf vielfältige Art
und Weise geschehen. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung
der Heizeinrichtung direkt proportional in einem geeigneten Übersetzungsverhältnis in
die Höhe
des Pumpstromes eingehen. Bei einem gepulsten Pumpstrom kann das
Taktverhältnis oder
der Pumpstrompegel an die Versorgungsspannung proportional gekoppelt
werden. Neben der Versorgungsspannung können auch andere Betriebsparameter
der Heizeinrichtung bei der Wahl des Pumpstromes berücksichtigt
werden. Beispielsweise kann der Betrag eines in der Heizeinrichtung
fließenden
Stromes oder bei einer getaktet betriebener Heizeinrichtung das
entsprechende Taktverhältnis
Berücksichtigung
finden.
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Es
kann deshalb bei der Vorrichtung die Pumpstromeinheit die Höhe der Versorgungsspannung
erfasst und die Höhe
des Pumpstromes abhängig
von der Höhe
der Versorgungsspannung gewählt werden.
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Die
Pumpstromeinheit kann mit einer Messeinrichtung ausgestattet sein,
die nicht direkt in den Sensor oder dessen Beschaltung integriert
werden muss; auch eine externe Messeinrichtung mit geeigneter Übermittlung
eines die Höhe
der Versorgungsspannung wiedergebenden Wertes ist tauglich.
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Für einen
Sensor mit getaktet betriebener Heizeinrichtung kann die Pumpstromeinheit
das entsprechende Taktverhältnis erfassen
und den Pumpstrom abhängig
vom Taktverhältnis
der getaktet betriebenen Heizeinrichtung treiben. Auch in dieser
Ausgestaltung kann eine Messeinrichtung als interne oder eigenständige Einheit
im Sensor oder dessen Beschaltung vorgesehen werden.
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Zusätzlich zu
einer externen Messung des Tastverhältnisses ist es möglich, die
Pumpstromeinheit derart auszubilden, dass sie von einem die Heizeinrichtung
steuernden Gerät
eine Information über das
Taktverhältnis
aufnimmt, geeignet auswertet und berücksichtigt.
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Die
Steuerung des Pumpstromes kann sowohl hinsichtlich der Höhe eines
gleichmäßig betriebenen
Pumpstromes als auch hinsichtlich der Taktung eines getaktet getriebenen
Pumpstromes erfolgen. Bei letzterer Form wird üblicherweise die Taktung geeignet
beeinflusst werden, beispielsweise indem das Tastverhältnis verändert wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhalber noch näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Messaufnehmer mit
zugehöriger Beschaltung
und
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2 ein
Blockschaltbild der Beschaltung des Messaufnehmers der 1.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch einen NOx-Messaufnehmer, der die NOx-Konzentration
im Abgastrakt einer Brennkraftmachine 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 von einem Heizungsregler H gesteuerten, elektrischen
Heizer 13 auf Betriebstemp ratur gebracht. 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 also 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 Treiberspannung Vp0 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 Messung
des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms Ip0 erfolgt über einen
Messwiderstand R0m und ein Voltmeter V0m. Diese werden über einen
A/D-Wandler mit einem Innenwiderstand realisiert.
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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 Treiberspannung Vp1 bereitstellt, 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 ein Messwiderstand R1m
und ein Voltmeter V1m verwendet.
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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 über einen Messwiderstand R2m
und ein Voltmeter V2m ermittelt, und wie die vorherigen Pumpströme von einer
Treiberspannung, in diesem Fall Vp2, getrieben, die von einem Regler vorgegeben
wird, welcher eine dritte Nernstspannung V2 zwischen der Messelektrode 10 und
der Referenzelektrode 11 abgreift.
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Der
Messaufnehmer 1 wird aus einer Batterie B gespeist, aus
der auch die Treiberspannungen usw. abgeleitet werden. Die Batterie
B ist über
(nicht dargestellte) Leitungen geeignet mit allen aktiven Bauelementen 13 verbunden,
insbesondere mit dem Heizungsregler H.
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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 gesteuerten
Stromquelle UI ein vierter Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip3 von der
Außenelektrode
zur Referenzelektrode 11 getrieben wird, der Sauerstoff
in die Referenzzelle 12 hineinpumpt. Die Stromquelle UI
wird dabei mittels einer Stellspannung Vs gesteuert, die von einem
Controller C abgegeben wird. Optional ist auch eine andere, analoge
Schaltung möglich.
Der Controller C ist zur Einstellung des vierten Pumpstromes Ip3
nach dem in 2 als Blockschaltbild dargestelltem
Schema beschaltet.
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Der
Controller C wird über
Steuerleitungen S1 und S2 von einer Messeinrichtung M angesteuert. Der
Controller C und die Messeinrichtung M sind damit Teil einer Pumpstromeinheit.
Die über
die Steuerleitungen S1 und S2 übermittelten
Signale berücksichtigt
der Controller C bei der Einstellung der Stellspannung VS, die den
vierten Sauerstoffionen-Pumpstrom Ip3 stellt. Je nach dem Signal
auf den Steuerleitungen S1 und S2 variiert der Controller C dabei
den maximalen Pegel des vierten Sauerstoffionen-Pumpstroms Ip3.
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Die
Messeinrichtung M erfasst über
Messabgriffe M1 und M2 Betriebsparameter des Heizungsreglers H und
gibt an den Steuerleitungen S1 und S2 ein entsprechendes Signal
ab. In einer ersten Ausführungsform
ist der von der Messeinrichtung M erfasste Betriebsparameter die
Versorgungsspanner des Heizers 13. In einer zweiten Ausführungsform steuert
der Heizungsregler H den Heizer 13 getaktet gemäß einem
Tastverhältnis
an, und die Messeinrichtung M ermittelt über die Messabgriffe M1 und
M2 das von der Heizungsregelung H eingestellte Tastverhältnis.
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Der
derart ermittelte Betriebsparameter des Heizers 13 wird
von der Messeinrichtung M gemäß einem
zuvor ermittelten Zusammenhang zwischen Betriebsparameter und Pumpen
von Sauerstoff zur Referenzelektrode 11 hin in die Steuerinformation umgesetzt,
die über
die Steuerleitung S1 und S2 dem Controller C zugeführt wird.
In einer Variante kann dabei ein linearer Zusammenhang zwischen
Betriebsparameter, z.B. Batteriespannung, und Pumpstrom angenommen
werden. Komplexere Zusammenhänge
können
als geeignete Funktionen oder durch geeignet hinterlegte Kennfelder
realisiert werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
findet die Messung unter Rückgriff
auf den Heizungsregler H statt. Dies kommt beispielsweise für Ausführungsformen
in Frage, bei denen der Heizungsregler H den Heizer 11 gemäß einem
Tastverhältnis
getaktet bestromt. Die Messeinrichtung ist dann derart realisiert, dass
der Heizungsregler H das Tastverhältnis direkt an den Controller
C zu geeigneten Berücksichtigung bei
der Einstellung des vierten Sauerstoffionen-Pumpstroms Ip3 meldet.
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In
einer weiteren (in 2 nicht dargestellten) Abwandlung
erfasst die Messeinrichtung M als Bestandteil der Pumpstromeineinheit
nicht direkt Werte des Heizungsreglers H, sondern fühlt die Spannung
der Batterie B ab.