(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス空間（１１２）内のガスの少なくとも１つの特性を測定する装置（１１０）であって、
前記装置（１１０）は、少なくとも１つのセンサ素子（１１４）と少なくとも１つのコントロール部（１１８）を含んでおり、
前記センサ素子（１１４）は、少なくとも１つの第１電極（１２０）及び少なくとも１つの第２電極（１２２）並びに前記第１電極（１２０）と前記第２電極（１２２）とを接続する少なくとも１つの固体電解質（１２４）を備えた少なくとも１つのポンプセル（１３６）を含んでおり、
前記第１電極（１２０）には前記測定ガス空間（１１２）からのガスが供給可能であり、
前記第２電極（１２２）は、少なくとも１つの基準ガス空間（１３２）内に配置されており、
前記センサ素子（１１４）は、更に少なくとも１つの第３電極（１６２）を有しており、
前記第３電極（１６２）と前記第２電極（１２２）とで補助ポンプセル（１６６）が形成されており、
前記コントロール部（１１８）は、前記第２電極（１２２）を仮想アース（１４８）に接続するように構成されており、
前記仮想アース（１４８）は、前記第２電極（１２２）に電極電位を印加し、
前記コントロール部（１１８）は、前記電極電位を前記ガスの測定された特性に依存して変化させるように構成されており、
前記コントロール部（１１８）は、更に前記ポンプセル（１３６）にポンプ電圧が印加され、前記第１電極（１２０）におけるポンプ電流が測定されるように構成されている、
ことを特徴とする装置（１１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの特性の測定は、少なくとも１つのガス成分の割合の検出である、
請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項３】
前記コントロール部（１１８）は、前記第３電極（１６２）と前記第２電極（１２２）との間に電圧を印加し、前記補助ポンプセル（１６６）に補助ポンプ電流を流れさせるように構成されている、
請求項１又は２に記載の装置（１１０）。
【請求項４】
前記コントロール部（１１８）は、前記第３電極（１６２）に電極電位を印加するように構成されており、
前記電圧は前記電極電位と前記仮想アース（１４８）の電位との間の電位差として生じる、
請求項３に記載の装置（１１０）。
【請求項５】
前記電極電位は、一定の電極電位である、
請求項４に記載の装置（１１０）。
【請求項６】
測定すべき前記特性は、前記ガス中の酸素割合であり、
前記電圧は、或る量の酸素が前記補助ポンプセル（１６６）によって前記第２電極（１２２）へとポンピングされ、その結果、所定の空気比範囲内の各空気比について、静的な測定の際に前記第２電極（１２２）に酸素が存在するように選定されている、
請求項３から５のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項７】
前記コントロール部（１１８）は、前記ポンプセル（１３６）にポンプ電圧を印加するために、少なくとも１つのポンプ電圧源（１５２）を含んでおり、
前記ポンプ電圧源（１５２）は、単極ポンプ電圧源（１５２）として形成されており、
前記仮想アース（１４８）の電位は、所定の空気比範囲内で前記第１電極（１２０）の電位の正負が替わらないように、所定の空気比範囲内で選定されている、
請求項６に記載の装置（１１０）。
【請求項８】
前記第３電極（１６２）には、前記測定ガス空間（１１２）からのガス及び／又は別の基準ガス空間（１３２）からのガスが供給可能である、
請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項９】
前記仮想アース（１４８）は、調節可能な仮想アース（１４８）として形成されている、
請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１０】
前記第２電極（１２２）は、基準ガスチャネル（１３４）内に配置されている、
請求項１から９のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１１】
前記センサ素子（１１４）は、更に、少なくとも２つのヒータコンタクトを備えた少なくとも１つの加熱素子（１４０）を有しており、
前記第３電極（１６２）は、前記ヒータコンタクトの少なくとも１つと電気的に接続されている、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１２】
前記コントロール部（１１８）は、前記第３電極（１６２）と前記ヒータコンタクトに一定の電位を印加するように構成されている、
請求項１１記載の装置（１１０）。
【請求項１３】
前記一定の電位は、アース電位である、
請求項１２に記載の装置（１１０）。
【請求項１４】
前記ガスの測定された特性は、空気比である、
請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１５】
前記コントロール部（１１８）は、λ＝１において前記電極電位の値に極小値をとらせるように構成されている、
請求項１４に記載の装置（１１０）。
【請求項１６】
前記変化は、１秒〜１０秒の時定数で行われる、
請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１７】
前記基準ガス空間（１３２）は、開端形の基準ガスチャネル（１３４）として形成されている、
請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１８】
前記開端形の基準ガスチャネル（１３４）は、開端形の空気基準チャネルである、
請求項１７に記載の装置（１１０）。
【請求項１９】
測定ガス空間（１１２）内のガスの少なくとも１つの特性を測定する方法において、
少なくとも１つの第１電極（１２０）及び少なくとも１つの第２電極（１２２）並びに前記第１電極（１２０）と前記第２電極（１２２）とを接続する少なくとも１つの固体電解質（１２４）を備えた少なくとも１つのポンプセル（１３６）を有するセンサ素子（１１４）を使用し、
前記第１電極（１２０）には前記測定ガス空間（１１２）からのガスが供給可能であり、
前記第２電極（１２２）は、少なくとも１つの基準ガス空間（１３２）内に配置されており、
前記センサ素子（１１４）は、更に少なくとも１つの第３電極（１６２）を有しており、
前記第３電極（１６２）と前記第２電極（１２２）とで補助ポンプセル（１６６）が形成されており、
前記第２電極（１２２）を仮想アース（１４８）に接続し、
前記仮想アース（１４８）は、前記第２電極（１２２）に電極電位を印加し、
前記電極電位を前記ガスの測定された特性に依存して変化させ、
前記ポンプセル（１３６）にポンプ電圧を印加し、前記第１電極（１２０）におけるポンプ電流を測定する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１から１８のいずれか１項に記載の装置（１１０）を使用して実施する、
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の固体のイオン伝導性に基づいた、すなわち、いわゆる固体電解質の使用に基づいた公知のセンサ素子を前提としている。この種の固体電解質はとりわけセラミック固体電解質であってよい。基本的に１つ又は複数のイオン種を伝導イオン種とするこの種の固体電解質の例としては、とりわけ二酸化ジルコニウムをベースにした、酸素イオン伝導性の固体電解質が挙げられる。例えば、本発明の範囲内では、イットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）及び／又はスカンジウムドープト二酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ）のような固体電解質が使用される。セラミック固体電解質に基づいたセンサ素子は例えばRobert Bosch GmbH (2007), Sensoren im Kraftfahrzeug, pp.154-159に記載されている。前掲文献に記載されたセンサ素子は本発明の枠内でも使用及び改変することができる。しかし他のセンサ素子も基本的に使用可能である。
【０００２】
この種の多くのセンサ素子は１つ又は複数のいわゆるポンプセルを使用することに基づいている。例えば、単一セル又は複数セルとして形成することができる、限界電流の原理に従って動作する広帯域ラムダセンサが公知である。この種のセンサ素子では、少なくとも１つのポンプセルにおいてポンプ電圧の関数としてポンプ電流が測定され、このポンプ電流からガス中の酸素割合が推定される。また、代替的な、基本的に等価の測定原理も知られている。例えば、ポンプセルが２つの電極を包囲しており、一方の電極には拡散障壁によって排ガスが当たるが、他方の電極は基準導チャネル内に配置されている単一セル広帯域ラムダセンサが先行技術から一般に公知である。比較的新しいタイプのセンサは、排ガスチャネル（ＡＬＫ）とも呼ばれる限界電流の小さな基準チャネルしか有していない。しかし通常、この種のセンサ素子はリーン排ガス中でしか使用することができない。というのも、リッチ排ガス中では排ガスチャネルの限界電流が超過されてしまい、一方で空の排ガスチャネルが供給する信号は小さすぎるからである。もっともこのセンサは基本的に、ポンプで基準チャネルに空気を入れることによって例えば３０秒の間リッチガス領域で動作させることができる。多くの動作モードにとって、例えばＮＳＣ再生（ＮＳＣ：ＮＯｘ吸蔵還元触媒）のような短いリッチ期間を測定するにはこれで十分である。
【０００３】
類似した測定原理が例えばDE 10 2006 011 480 A1に記載されている。この文献では、ポンプセルに加えて、排ガスに曝され且つ負電流が印加される外部電極が設けられたガスセンサ、とりわけラムダセンサが示されている。ポンプセルの電極は電極中空部の中に配置されており、外部電極を用いることによって、この電極中空部がさらに酸素で満たされ、センサ素子の特性曲線にオフセットが形成される。
【０００４】
公知の単一セル広帯域ラムダセンサでは、通常、排ガス側の第１電極（内部ポンプ電極又はＩＰＥとも呼ばれる）は人為的に決められた２．５Ｖの電位に置かれる。それに対して第２電極は排ガスチャネル内に配置され、排気電極（ＡＬＥ）とも呼ばれる。第２電極は、リーン排ガスの場合でもリッチ排ガスの場合でも両方向に均一にポンピングできるように、通常は電子的に２００ｍＶ〜９００ｍＶのポンプ電圧へと制御される。ポンプ電流の測定はふつう第２電極において、すなわち排気電極において行われる。
【０００５】
公知のセンサ素子は通常、一時的にしか、すなわち一般的には３０秒未満の間しか、リッチガスを測定することができない。ポンプ電流が排ガスチャネルの限界電流を持続的に超過するとすぐに排ガスチャネル内の酸素分圧が低下し、ポンプ電流が中断される。公知のセンサ素子の別の欠点は、多くの場合、加熱素子が設けられていることにある。加熱素子の絶縁によるリーク電流の場合には、酸素イオンが加熱素子から電極へ又は電極から加熱素子へ移動する。そのせいで多くの場合例えば排気電極に酸素が集散する。それに対応して電荷が電極リード線を流れるので、測定電流が大きすぎる又は小さすぎる原因となり、ひいては大きな測定誤差の原因となる。公知のセンサ素子のさらに別の欠点は、大きな空気基準チャネルを有する単一セルの場合、基準チャネルの横断面が大きいために機械的構造の点で不利であり、限界電流によって制限された静的なリッチ測定能力を有しているということである。さらに、排ガスチャネル内に極端な圧力が掛かった場合、絞り弁があるにもかかわらず、センサ素子が砕けてしまうことがあるという欠点も存在する。これはふつう、排ガスチャネルの多孔質充填材が流れを強く減衰するため、拡散流出しか可能でないことに因る。これは例えばセンサ素子の裂け目やひび割れとして表れる。
【０００６】
発明の概要
公知の装置及び方法の上記欠点を少なくとも大部分回避する、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性を測定する装置及び方法を提案する。ガスとは特に、例えば内燃機関の排ガスであってよい。測定ガス空間とは、例えば排ガスチャネルであってよい。測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性とは、基本的に任意の物理的及び／又は化学的特性であってよい。しかし、この少なくとも１つの特性がガス中のガス成分の割合、例えば分圧、パーセンテージ又は他の量で定量化しうる割合であると、特に有利である。ガス成分はとりわけ酸素としてよい。しかし他の種類のガス成分も検出可能である。特性は定性的又は定量的に検出される。特性はとりわけ酸素割合、例えば酸素分圧及び／又は空気比であってよい。以下では、他の可能な実施形態を制限することなく、以上のことを前提とする。よって、装置はとりわけ少なくとも１つのラムダセンサを含んでいてよい。
【０００７】
装置は少なくとも１つのセンサ素子と少なくとも１つのコントロール部を含む。センサ素子は例えばセラミックセンサ素子として形成されていてよく、例えばケーシング内に納められていてよい。例えば、センサ素子は少なくとも１つのラムダセンサを含むか、又はラムダセンサとして形成されていてよい。前記少なくとも１つのコントロール部は完全に又は部分的に前記センサ素子内に組み込まれていてよいが、有利には完全に又は部分的に前記少なくとも１つのセンサ素子とは別個に形成されていてもよい。コントロール部は、以下に説明する駆動制御機能を引き受けるために、例えば１つ又は複数の電子コンポーネントを含んでいてよい。したがってコントロール部は例えば、以下に説明するポンプセルにポンプ電圧を印加する少なくとも１つのポンプ電圧源と、例えば調節可能な電圧源の形態の仮想アースを含む、ポンプセルを通るポンプ電流を測定する少なくとも１つの電流測定器と、場合によってはさらに上記及び／又は他の電子素子の組み合わせを含んでいてよい。さらに、コントロール部は以下に説明する方法を実行するために例えば１つ又は複数のデータ処理デバイスも含んでいてよい。その場合、コントロール部は、例えば少なくとも１つのインタフェースを介して、例えばコネクタを介して、少なくとも１つのセンサ素子と接続された中央コントロール部として形成されていてよい。コントロール部はまた、例えば自動車のエンジン制御部の構成要素であってもよい。基本的に種々の実施形態が可能である。
【０００８】
センサ素子は、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極と前記第１電極と前記第２電極とに接続された少なくとも１つの固体電解質とを有する少なくとも１つのポンプセルを含んでいる。固体電解質の可能な実施形態に関しては、例えば上記の記載を参照されたい。第１電極及び／又は第２電極は例えば金属-セラミック-電極として形成されていてよい。特に、白金-サーメット-電極であってよい。しかし他の実施形態も可能である。第１電極には測定ガス空間からのガスを印加することができる。これは様々な方法で行うことができる。例えば、第１電極をセンサ素子の層構造の表面に配置する及び／又は１つ又は複数のガス透過性の保護層だけで測定ガス空間から隔てることによって、第１電極を測定ガス空間からのガスに直接曝してもよい。代替的又は付加的に、第１電極は複数パーツから形成されていてもよく、またセンサ素子の層構造の内部に、例えば電極中空部内に配置してもよい。この場合、電極中空部は例えば少なくとも１つのガス流入孔を介して測定ガス空間と接続されていてよい。特に好ましくは、測定ガス空間と第１電極又は第１電極を中に配置しうる任意選択的な電極中空部との間の接続は、少なくとも１つの拡散障壁を介して、すなわちガスの貫流を少なくとも広範囲にわたって妨げ、拡散輸送のみを許す部材を介して行われる。この種の拡散障壁の可能な実施形態に関しては、上記の先行技術を参照されたい。第２電極は少なくとも１つの基準ガス空間内に、つまり測定ガス空間とは異なる空間内に配置されており、基準ガス空間内と測定ガス空間内とでは異なる混合ガスを形成しうる。基準ガス空間と測定ガス空間との間では、通常の測定プロセスに比べてどのくらい長いかに関して少なくとも１つの時間スケールとのマッチングが行われる。特に好ましくは、基準ガス空間は測定ガス空間から完全に分離されている。基準ガス空間はとりわけ基準ガスチャネルであってよい。例えばこの基準ガスチャネルは、第２電極を例えば特に自動車の内燃機関の排ガスチャネルから分離して形成されたエンジンルーム周辺と接続する空気基準チャネルとして形成されていてよい。相応して基準ガスチャネルは、先行技術による上記センサ素子と同様に、例えば空気基準として、基準空気チャネルとして又は排気チャネルとして形成されていてよい。
【０００９】
センサ素子はさらに少なくとも１つの第３電極を有している。第３電極と第２電極は１つの補助ポンプセルを形成する。これは例えば上記固体電解質が第３電極と第２電極をも相互に接続することによって行うことができる。しかし代替的又は付加的に、上記接続を形成する少なくとも１つの別の固体電解質を設けてもよい。
【００１０】
コントロール部は第２電極が仮想アースと接続されるように構成されている。仮想アースとは、第２電極の電位を例えばアースに対して所定の値に定める電圧源、有利には定電圧源を意味する。仮想アースは特に、第２電得極を０〜±３Ｖの電極電位に、とりわけ０．２〜２．５Ｖの電極電位に置くように構成されている。しかし他の実施形態も可能である。以下で幾つかの例をより詳しく説明する。
【００１１】
コントロール部はさらに、ポンプセルにポンプ電圧を印加し、第１電極においてポンプ電流を検出するように構成されている。第１電極でのポンプ電流の検出は、第１電極へのリード線内におけるポンプ電流の直接的又は間接的な測定を意味する。第２電極に、つまり例えば排気電極（ＡＬＥ）に仮想アースを印加し、第１電極において、つまり測定すべきガスに曝された電極において測定を行うこの構造により、提案する装置は、第１電極に仮想アースを印加し、第２電極においてポンプ電流測定を行う上記した公知の装置とは異なっている。後でより詳しく説明するように、この相違点のおかげで、電極への及び／又は電極からのイオン性リーク電流に起因する上で述べた測定誤差が目につかなくなる又は少ししか目につかなくなる。それはイオン性リーク電流が第１電極のポンプ電流に寄与しないか、又は取るに足らない程度にしか寄与しないからである。また同様に以下で説明するように、補助ポンプセルによる補助ポンプ電流が第１電極において測定されるポンプ電流に寄与することなく、第３電極と補助ポンプセルを介して基準ガス空間への「空気入れ」が第２電極の領域で行われる。
【００１２】
第３電極にも基本的に例えば測定ガス空間からのガスを印加することができる。任意選択的に、例えば拡散障壁を介して、とりわけ多孔質保護層を介して、第３電極に測定ガス空間からのガスを印加することもできる。例えば第３電極はセンサ素子の層構造の表面に配置してもよく、任意選択的には１つ又は複数のガス透過性の保護層によって被覆されていてもよい。しかし代替的又は付加的に、第３電極にも例えば別の基準ガス空間からのガスを印加することが可能であってもよい。様々な実施形態が可能である。
【００１３】
仮想アースが調節可能な仮想アースとして形成されていると特に好ましい。これは例えば、コントロール部が調節可能な電圧源を有することによって実現できる。この調節可能な電圧源は例えば一方の極においては直接的又は間接的にアースと接続され、他方の極においては直接的又は間接的に第２電極に接続されていてよい。調節可能性は例えば電子的な調節可能性を含んでいてよい。例えば仮想アースがとる値、とりわけ第２電極に印加される電極電位が、例えば少なくとも１つのデータ処理装置を介して及び／又はコントロール部の内部及び／又は外部の少なくとも１つのインタフェースを介して、外部から調節可能であってよい。様々な実施形態が可能である。
【００１４】
コントロール部は特に、第３電極と第２電極の間に電圧が印加可能であるように構成されていてよい。この電圧によって補助ポンプセルに強制的に補助ポンプ電流を通すことができる。補助ポンプ電流は調節可能としてよい。コントロール部は特に、第３電極に電極電位を、とりわけ一定の電極電位が印加されるように構成されていてよい。この電極電位は零であってもよい。したがって例えば、後で詳しく説明するように、第３電極を有利にはアース電位に置いてもよい。補助ポンプセルにおける電圧はとりわけ電極電位と第２電極に印加される仮想アースの電位との間の電位差として生じる。
【００１５】
装置を用いて求めるべき特性（複数の特性を求めることができてもよい）はとりわけ、上記のようにガス中の、特に排ガス中の、酸素割合であってよい。この場合、統計的な測定において所定の空気比の範囲内で各空気比において第２電極に酸素が存在するように、補助ポンプセルによって或る量の酸素が第２電極へポンピングされるよう電圧を選んでよい。その際、空気比の範囲は特にリッチガス範囲も含んでいてよい。この実施形態は特に、（例えば仮想アースの適切な選択によって）補助ポンプセルの電圧をつねに、各空気比において基準ガスチャネルの限界電流による制限が補助ポンプセルを通るイオン電流によって補償されるような電圧にすることによって実現することができる。特に、補助ポンプセルを通るイオン電流を、つねに少なくとも第２電極において必要とされる酸素電流と基準ガスチャネルの限界電流との差となるように選択してよい。これは例えば、後でより詳しく説明されるように、第２電極に印加される仮想アースの電位を空気比に適合させることによって実現することができる。これは例えば、最後に測定された既知の空気比の値を使用し、例えばデータ処理装置及び／又はコントロール部の電子的表によって、上記条件が満たされるように適切な仮想アースを選択することで行うことができる。
【００１６】
コントロール部は特にポンプセルにポンプ電圧を印加するために少なくとも１つのポンプ電圧源を含んでいてよい。ポンプ電圧源はとりわけ本発明によって単極電圧源として、つまり極性反転不能なポンプ電圧源として形成されていてよい。この種のポンプ電圧源は技術的には特に容易に実現できる。第２電極に印加される仮想アースの電位は、所定の空気比の範囲内で第１電極の電位の正負が変わらないように、特に所定の空気比の範囲内で選択されるようにしてよい。このことはすなわち、第１電極と第２電極との間の電位差が所定の空気比の範囲内でつねに同じ正負符号を有することを意味する。これは例えば、上で述べたように又後でより詳しく説明するように、仮想アースを相応してアップデートすることによって及び／又は仮想アースを空気比の関数として変化させることによって行うことができる。駆動制御は原則的に同じ正負符号の電流によって又は正負の変化する電流によっても行うことができる。
【００１７】
センサ素子は特にさらに少なくとも２つのヒータコンタクトを備えた少なくとも１つの加熱素子を有していてよい。この加熱素子の可能な実施形態に関しては先行技術を参照されたい。加熱素子はとりわけ、２つのヒータコンタクト（Ｈ-及びＨ+）を介して加熱電流を印加しうる少なくとも１つの加熱抵抗を有する抵抗性加熱素子として形成されていてよい。第３電極はとりわけ、少なくとも１つの、有利には正確に１つの、ヒータコンタクトと電気的に接続されていてよい。この接続は有利にはセンサ素子の内部で行うことができるので、ヒータコンタクトと第３電極は共通のリード線を介して及び／又は共通の電極コンタクトを介して電気的にコンタクト可能であってよい。この場合、第３電極は原則的に加熱素子及び／又はヒータコンタクトと完全に又は部分的に統合されていてもよい。とりわけ、第３電極と統合されるヒータコンタクトは負のヒータコンタクト（Ｈ-）としてよい。コントロール部は特に、この共通のヒータコンタクトと第３電極を電気的アースに接続するように構成されていてよい。一般に、第３電極とヒータコンタクトには特に一定の電位が、とりわけアース電位が印加されるようにしてよい。この実施形態又は他の実施形態においても、一般に、センサ素子が４つの接続コンタクトを有していると特に有利である。したがって例えば、第１電極に対しては第１接続コンタクトを、第２電極に対しては第２接続コンタクトを、第３電極に対しては第３接続コンタクトを、正のヒータコンタクト（Ｈ-）に対しては第４接続コンタクトを設けるようにしてよい。このようにして、制御器への接続コンタクト及び／又はケーブル及び／又は制御器におけるピンは不要となるが、それにもかかわらず機能性は向上する。
【００１８】
以上に示したように、ポンプセルに関して様々な実施形態が可能である。したがって第１電極を例えば層構造の、測定ガス空間側の表面に配置し、第２電極をとりわけ層構造の内部に配置してもよい。しかし、第１電極と第２電極の両方をセンサ素子の層構造の内部に配置するのが特に好ましい。この場合、上述のように、例えば少なくとも１つのガス流入孔を通って第１電極に測定ガス空間からのガスが当たるようにすることができる。第３電極は有利には層構造の、ガス流入孔とは反対側の背面に配置されている。しかし、原則的に他の実施形態も、例えばガス流入孔と第３電極が層構造の同じ側面に配置されている実施形態も可能である。この場合には、例えばＨ-端子がセンサ素子を貫通コンタクトすることができる。また、第１電極と第３電極が層構造の同じ側面に配置されている実施形態も可能である。
【００１９】
仮想アースは上述のようにとりわけ調節可能な仮想アースとして構成されていてよい。例えば、仮想アースは開及び／又は閉ループ制御可能に構成されていてよい。仮想アースによって第２電極に電極電位が印加される。コントロール部は、電極電位を検出されたガス特性、とりわけ検出された空気比に依存して変化させるように構成されていてよい。これは、上述のように、例えば仮想アースを最後に検出された空気比及び／又は測定期間全体にわたる平均空気比に応じて調節する少なくとも１つのデータ処理装置によって行うことができる。他の調節も可能である。また、データ処理装置とは別の装置による調節、例えば閉ループ制御を介した自動調節も可能である。また、例えば電子的表（ルックアップテーブル）を介した調節も原則的に考えられる。調節は連続的、不連続的、又は階段状に行ってよい。調節はとりわけガス特性の所定の測定範囲全体にわたって、例えば特にリッチガスも含まれうる所定の空気比範囲にわたって行ってよい。
【００２０】
検出すべきガス特性が特徴的に変化するときに、第２電極に印加される電極電位の値が極値を有すると、特に有利である。例えば、検出されるガス特性は上述のように空気比であってよい、又は少なくとも空気比を含む。その場合、コントロール部はとりわけ、電極電位の値が空気比λ＝１のときに極小値をとるように構成されていてよい。この極小値は特に０．１Ｖを超える、とりわけ少なくとも０．２Ｖ、特に有利には０．２５Ｖ以上であってよい。しかし、この極小値は特にλ＝１のときに１つの又は複数の材料の、例えば固体電解質のセラミック基質の、不所望な分解が防止されるように低く選んでもよい。このような分解はλ＝１の近傍でセンサ素子の特性曲線を歪曲することがある。そのため、λ＝１において電極電位が低下し、補助ポンプセルにおけるポンプ電圧の低下が回避されることがある。例えば極小値はλ＝１±０．２の範囲内に、とりわけλ＝１±０．１の範囲内にあってよい、又は、一般にこの範囲内ではこの範囲外での空気比に比べて第２電極の電極電位を低くしてよい。例えば１未満の空気比に対しては、電極電位はλ＝１における極小値まで連続的に、例えば直線的に降下し、１より大きな空気比に対しては、再び連続的に、例えば直線的に上昇する。しかし、他の様々な実施形態が可能である。
【００２１】
第２電極に印加される電極電位を変化させる場合には、この変更は特に装置による本来の測定の時間スケールとは異なる時間スケール上で行われるべきである。この変更はとりわけ少なくとも１秒の時定数で、有利には１秒〜１０秒の時定数で、特に有利には５秒の時定数で行ってよい。このようにして一方では本来の測定の影響（例えば振動による）を防ぐことができ、他方では、例えば通常の排気チャネルで生じる３０秒の滞留時間をさらに下回るように時定数を十分に短く選択して、例えば第２電極に酸素不足が生じないようにすることができる。
【００２２】
基準ガス空間は上述のようにとりわけ開端形の基準ガスチャネルとして形成されていてよい。とりわけ、開端形の空気基準チャネルであってよい。しかし他の実施形態も基本的に可能である。例えば、基準ガスチャネルが完全に又は部分的にガス透過性の多孔質媒体で形成されている実施形態も可能である。以下に、例として様々な実施形態をより詳細に説明する。
【００２３】
上で説明した実施形態のうちの１つ又は複数において、上記装置の他にさらに、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性を測定する方法を提案する。この方法はとりわけ、上で説明した実施形態のうちの１つ又は複数の実施形態による装置を使用して実行されるので、本方法の可能な実施形態に関しては、装置に関する上記説明を参照することができる。本方法は少なくとも１つの第１電極と、少なくとも１つの第２電極と、第１電極と第２電極とを接続する少なくとも１つの固体電解質とを有するポンプセルを備えたセンサ素子を使用する。第１電極には測定ガス空間からのガスを印加することが可能である。第２電極は少なくとも１つの基準ガス空間内に配置されている。センサ素子はさらに少なくとも１つの第３電極を有しており、第３電極と第２電極とで補助ポンプセルを形成している。さらに、第２電極は仮想アースと接続されている。ポンプセルにはポンプ電圧が印加され、第１電極におけるポンプ電流が測定される。さらに、上述のように、第３電極と第２電極の間に電圧を印加して、例えば上記した目的のうちの１つ又は複数の目的のために、補助ポンプ電流が補助ポンプセルを通って流れるようにしてもよい。
【００２４】
上記装置及び上記方法は公知の装置及び方法に対して多くの利点を有している。補助ポンプセルを使用することによって、酸素を第２電極まで輸送することができ、また、基準ガス空間の、例えば排気チャネルの、通常の制限なしに、例えば持続的で静的なリッチ測定が可能になるまで基準ガス空間にポンプでガス入れをすることができる。第３電極は完全に又は部分的に加熱素子及び／又はヒータコンタクトと統合することができる。その場合、例えば加熱素子自体も補助ポンプセルの一部であってよい。このため、リッチガス測定を例えば３０秒の通常の短い滞留時間に制限することは不要となり、装置はリッチガス範囲においても少なくとも或る程度、有利には全面的に静的に動作することができる。第２電極は仮想アースによって所定の電極電位に、例えば＋２．５Ｖの電極電位に置くことができる。第１電極では、例えば内部ポンプ電極では、ポンプセルのポンプ電流を測定することができる。仮想アースの電位は、例えばリッチガスの場合に電位がλ＝１のときの値よりも高くなるように、有利には測定信号に合わせられる。基準ガス空間は、例えば排気チャネルは、有利には開いた絞り弁を備えていてよい、つまり開端形の基準ガスチャネルとして形成されていてよい。開端形の基準ガスチャネルは、基準ガスチャネルにガスを流すことができるが、拡散は制限する本当の拡散障壁として作用する。このようにして、第２電極の領域に超過圧力が生じるのを防ぐことができる。ガスの流れは超過圧力のときの基準ガスチャネル内の過剰な酸素を多孔質充填材で充填された絞り弁（流れ障壁）における拡散よりも容易に運び出すことができる。第３電極は例えば外部ポンプ電極として形成されていてよく、有利には測定ガス空間内に、例えば排ガス空間内に、すなわち例えば排ガスの中に配置されているが、センサ素子の基準ガス空間内及び／又は他の基準ガス空間内に配置されていてもよい。
【００２５】
ここで提案する装置は上記のように静的なリッチ測定能力を有しており、それゆえ例えばオットーエンジンでの使用にも適している。有利には、内部ポンプ電極においてのみ、つまり、排ガス中の酸素分圧に関する情報を含んでいる第１電極においてのみ、電流測定が行われる。それゆえ、ヒータ結合は本来の測定信号に対してはもはや有効でない。補助ポンプセルを通り、例えば基準ガス空間を満たす補助的な電流も同様に測定信号に現れないが、拡張された静的なリッチ測定能力のための備えとして有効である。加熱素子の質量変動は基準ガス空間内の酸素分圧を少し変化させるが、本来の測定信号に対しては何の影響も有していない。
【００２６】
上記利点に加えて、上記装置は技術的に容易に製造しうる。例えば、既存のデザイン例えばRobert Bosch社の単一セル限界電流センサは簡単に例えば外部電極の形態の第３電極へと拡張することができる。このようにして小型センサ素子の既存の構成単位を拡張することができ、しかもそのために５つのワイヤを又は他の測定原理をまったく用いなくてよい。それゆえ、補助導体路と、例えば変更されたＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を含む、場合により変更されるコントロール部は別として、公知のセンサ素子の公知の安上がりな製造が維持される。ディーゼルエンジンでの使用の代わりに又は付加的に、オットーエンジンでの使用も考えられる。また、オットーエンジンとディーゼルエンジンのための単独プローブも実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性を測定する公知の装置の実施例を示す。
【図１Ｂ】図１Ａの装置の等価回路図を示す。
【図１Ｃ】図１Ａの装置における、空気比範囲に対する通常の電極電位プロフィールを示す。
【図２Ａ】測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性を測定する本発明による装置の実施形態を示す。
【図２Ｂ】図２Ａの装置の等価回路図を示す。
【図３】３Ａ〜３Ｄは、特に図２Ａの装置を使用した、本発明の方法における種々の電極電位プロフィールを示す。
【００２８】
実施例
図１には、測定ガス空間１１２内のガスの少なくとも１つの特性を測定する先行技術による装置１１０が示されている。測定ガス空間１１２は例えば内燃機関の排ガス路であってよい。図示の実施例では、装置１１０はセンサ素子１１４とインタフェース１１６を介してセンサ素子１１４に接続されたコントロール部１１８とを含んでいる。コントロール部１１８は１つ以上の電子素子を含んでいてよく、また完全に又は部分的に特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として形成されていてよい。センサ素子１１４は例えばラムダセンサとして形成されていてよく、図示の実施例では、内部ポンプ電極（ＩＰＥ）とも呼ばれる第１電極１２０と、排気電極（ＡＬＥ）とも呼ばれる第２電極１２２と、これら電極１２０、１２２を接続する固体電解質１２４、例えばイットリウム安定化二酸化ジルコニウムを含んでいる。図示の実施例では、電極１２０、１２２は層構造の内部に配置されている。第１電極１２０は電極中空体１２６の中に配置されており、第１電極１２０にはガス流入孔１２８を介して測定ガス空間からのガスを印加することができる。電極中空体１２６とガス流入孔１２８の間には拡散障壁１３０が配置されている。拡散障壁１３０は、測定ガス空間１１２からのガスの電極中空体１１６内へ又は逆方向に流れるのを防ぎ、拡散輸送のみを許す多孔質の部材である。一方、第２電極１２２は基準ガスチャネル１３４又は排気チャネルの形態の基準ガス空間１３２内に配置されている。図示の実施例では、基準ガスチャネル１３４はガス透過性の多孔質媒体で充填されている。電極１２０、１２２とこれら電極を接続する固体電解質１２４とでポンプセル１３６が形成されている。電極１２０、１２２は、図１ＡにおいてＡＬＥ（排気電極）又はＩＰＥ（内部ポンプ電極）と記されている接続コンタクト１３８によって電気的にコンタクト可能である。さらに、センサ素子１１４は、図示の実施例では、２つのヒータコンタクトＨ+及びＨ-を有する加熱抵抗１４４を包囲するヒータ絶縁１４２を備えた加熱素子１４０を含んでいる。
【００２９】
図１Ａに示されているセンサ素子１１４は単一セルで形成されている。コントロール部１１８はふつう、ヒータコンタクトＨ+及びＨ-がヒータコントロール部１４６によって例えばポンプセル１３６の一定の内部抵抗に印加されるように選ばれている。
【００３０】
内部ポンプ電極又はガス中に置かれた第１電極１２０はコントロール部１１８の仮想アース１４８に接続されている。この仮想アース１４８は第１電極１２０を電気的アース１５０に対して一定の電極電位に置く。これに対して第２電極又は排気電極は可変の電位に置かれる。図１Ａでは簡単に示されているだけのポンプ電圧源１５２を介して電流測定装置１５４によって、例えば測定抵抗１５６によって、ポンプセル１３６を通るポンプ電流Ｉpが測定される。これは通常の回路では例えば、空気を測定する際には９００ｍＶの高いポンプ電圧Ｕpに設定し、リッチガスの場合には２００ｍＶの低いポンプ電圧Ｕpに設定するために、オペアンプの非反転入力部への入力によってポンプ電圧源１５２のポンプ電圧Ｕpが制御されるように行われる。
【００３１】
図１Ｂには、図１Ａの装置１１０の等価回路が示されている。既に導入したパラメータに加えて、ＶMが仮想アース１４８の電位又は電圧を、ＵNが（このケースでは電極１２０、１２２間の）ネルンスト電圧を、ＲHが加熱抵抗１４４の抵抗を、ＰHがこのケースではポンプセル１３６の内部抵抗Ｒiの関数であるヒータ電力を、ＵBatがヒータコントロール部のバッテリ電圧を表しており、ヒータコントロール部のバッテリ電圧はこの実施例では例として１２Ｖに設定した。図１Ｂから分かるように、先行技術によれば、ヒータ回路（下の部分図）とポンプセル１３６は、実際上完全にセンサ素子１１４の側とコントロール部１３６の側とに分離して形成されている。ただし、加熱素子１４０は内部抵抗Ｒiを制御するためにクロック制御される。この目的のために、ヒータコンタクトＨ-をローサイドＦＥＴでスイッチングするようにしてよい。それに対して、ヒータコンタクトＨ+は例えばバッテリ電圧ＵBatに置いてよい。
【００３２】
図１Ｃには、図１Ａ及び１Ｂの公知の測定方法に関して、第１電極の電極電位（曲線１５８）と第２電極の電極電位（曲線１６０）が空気比ラムダの関数として描かれている。上述のように、第１電極の電極電位１５８は仮想アース１４８の電位ＶMで一定である。それに対して第２電極の電極電位１６０は、リッチ空気比範囲（λ＜１）からリーン空気比範囲（λ＞１）へと、例えばリッチガスにおける２００ｍＶから空気における９００ｍＶまで連続的に上昇する。
【００３３】
一方、図２Ａ及び２Ｂには本発明による装置１１０が示されている。この装置１１０も少なくとも１つのセンサ素子１１４と少なくとも１つのコントロール部１１８を含んでいる。図示の実施例では、センサ素子１１４は例として図１Ａのセンサ素子１１４と類似に形成されている。したがってこのセンサ素子１４の説明に関しては、図１Ａの上記説明を大幅に参照することができる。しかし図１Ａとは異なり、図２Ａの本発明の実施例では、さらに第３電極１６２が設けられている。この第３電極１６２は付加的なポンプ電極（したがって図２Ｂでは「２ｎｄ ＰＥ」とも呼ばれる）として形成されている。例えば、図２Ａに示されているように、この付加的なポンプ電極はセンサ素子１１４の外側に、例えばセンサ素子１１４の、ガス流入孔１２８とは逆側の背面に配置してよい。しかし原則的に他の実施形態も可能である。図示の実施例では、第３電極１６２には測定ガス空間１１２からのガスを印加することができ、測定ガス空間からは例えば多孔質保護層１６４によって隔てられている。この多孔質保護層１６４は拡散障壁としても作用し、拡散流入によるガス流入を制限することができる。有利には、第３電極１６２は排ガスの高熱領域に配置されているが、原則的には基準ガス空間内にも、例えば図２Ａには図示されていないセンサ素子１１４のプローブケーシングの基準空間内にも配置されていてよい。第３電極１６２と第２電極１２２とでポンプセルが形成される。このポンプセルは、本発明の枠内では、機能性が制限されることなく補助ポンプセル１６６と呼ばれる。この補助ポンプセル１６６の機能は、とりわけリッチガス中で、制限された基準ガスチャネル１３４に起因して生じうる第２電極１２２の領域における酸素不足を補償することにある。
【００３４】
同様に図２Ａから分かるように、本発明による装置の実施形態では、コントロール部１１８内で、第２電極１２２のＡＬＥと記されたコンタクトが仮想アース１４８と接続されている。それに対して第１電極１２０はポンプ電圧源１５２と接続されており、ポンプ電流Ｉpは第１電極１２０で測定される。このことは改めて、図１Ｂに示されているものと類似した図２Ｂに示されている等価回路図からも明らかである。電流測定装置１５４によって第１電極１２０における電流が測定される一方で、第２電極１２２が有利には調節可能に又は制御可能に形成された仮想アース１４８の電位に置かれる。ポンプ電圧供給と電流測定はＩＰＥ１２０を介して行われる。
【００３５】
さらに、図２Ａに示されているように、第３電極１６２の接続コンタクト１３８は加熱素子１４０の接続コンタクトと、有利には接続コンタクトＨ-と統合されていてよい。接続コンタクトＨ+は図２Ａでは記号的にしか示されていない。接続コンタクトＨ+は、例えばＨ+とＨ-とに対するリード線をセンサ素子１１４の下面に並んで配置できるように、図２Ａの図平面内でも接続コンタクトＨ-の下に配置されていてよい。例えば、接続コンタクトはプリントされた接続コンタクト及び／又は貫通コンタクトであってよい。第３電極１６２の接続コンタクト１３８は、印刷技術によって例えば簡単に負の接続コンタクトＨ-のための貫通コンタクトに接続可能である。ヒータコンタクトＨ+は例えばハイサイドＦＥＴでスイッチングすることができる。
【００３６】
第１電極１２２は仮想アース１４８によって所定の電極電位に置かれ、有利には第３電極１６２はヒータコンタクトＨ-を介して電気的アース１５０に接続されているので、第２電極１２２と第３電極１６２の間に、すなわち補助ポンプセル１６６に、電圧ＶMと補助ポンプセル１６６内のネルンスト電圧ＵNとの重畳から生じる有効ポンプ電圧が形成される。仮想アース１４８を例えば空気比の関数として調節することによって、補助ポンプセル１６６を通るこの補助ポンプ電流と、第２電極１２２への補助的な酸素の印加を調節することができる。第３電力１６２の面積、及び／又は、保護層１６４の気孔率及び／又は厚さは、リッチガス中でも、例えば２．５Ｖのポンプ電圧が印加されたときに、水分解から生じる例えば２ｍＡのポンプ電流が、最大リッチ測定範囲内で生じる静的なポンプ電流よりも大きくなるように選ばれる。そのために、厚さ、気孔率及び面積に応じて例えば拡散電流を計算してもよい。
【００３７】
しかし、補助ポンプセル１６６を通る補助ポンプ電流は、電流測定装置１５４における測定信号にまったく寄与しないか、又は少ししか寄与しない。このことは図２Ｂの等価回路から説明される。したがって、上述のように、ポンプ電流Ｉpは第１電極１２０におけるλの関数として測定される。また、第１電極１２０へは、第３電極１６２から酸素の輸送が行われる。例えば２つの酸素イオンＯ2-が第３電極１６２から第１電極１２０へ輸送される場合、第１電極１２０で酸素イオンから電子が奪われて差し当たり４つの自由電子が生じ、これら４つの自由電子が測定電流Ｉpを差し当たりΔＩpだけ小さくする。しかし、電子を奪われた酸素をポンプセル１３６によって搬出する際に、測定電流Ｉpは再びΔＩpだけ大きくなる。これにより、酸素イオンから電子が奪われることによる効果と第１電極１２０に形成された酸素分子の搬出による効果とが相殺し合うので、図２Ｂの電流測定装置１５４におけるポンプ電流は、付加的な第３電極１６２と補助ポンプセルにおける電圧とによって影響されない。
【００３８】
図３Ａ〜３Ｄには、図１Ｃと類似の図示の仕方で、電極電位の様々な実施形態が示されている。ここで、参照番号１５８は再び第１電極１２０の電極電位プロフィールを、参照番号１６０は第２電極１２２の電極電位プロフィールを指しており、両電極電位プロフィールとも空気比λの関数として示されている。
【００３９】
図３Ａには、第２電極１２２の電位１６０が一定に保持されたプロフィールが示されている。測定セルとして機能するポンプセル１３６上での電位差は先行技術と変わらない。電極１２０の電位と電極１２２の電位の違いは、仮想アース１４８が今や第２電極１２２（ＡＬＥ）に印加されるという事実によるものでしかない。例えば、第２電極１２２は固定的に２．５Ｖに維持してもよい。第１電極１２０の電位１５８は例えばリッチガス範囲内の２．３Ｖと空気の１．６Ｖとの間で変化してもよい。
【００４０】
上述のように、仮想アース１４８は調節可能、可変又はそれどころか制御可能な仮想アースとして形成されていてよい。このことは図３Ｂ〜３Ｄに例として示されている。有利には、仮想アース１４８又は仮想アース１４８を介して第２電極１２２に印加される電位は、測定電流Ｉpから求められた排ガス組成に適合される。その場合、有利には基準ガスチャネル１３４、例えば排気チャネル（ＡＬＫ）の酸素要求が高いリッチガス中においてのみポンプによる空気入れが行われる。このことは図３Ｂに例として示されている。有利には、仮想アース１４８の変更は、制御が不安定にならないように、明らかにより大きな時定数（例えばτ＝５ｓ）で行われる。一般的な基準ガスチャネル１３４の滞留作用は、約３０秒のリッチ測定の間、酸素要求を緩和することができる。例えば、図３Ｂでは、第２電極１２２の電位１６０をリッチガス範囲における２．５Ｖからリーン範囲における１．１Ｖまで連続的に又は不連続的にも又は例えば階段状に変化させることができる。第１電極１２０の電位は例えばリッチガス範囲における２．３Ｖから空気の０．２Ｖまで変化しうる。しかし他の実施形態も原則的に可能である。図３Ｂによるこの実施形態でも、測定セルとして機能するポンプセル１３６上での電位差は少なくとも実質的に先行技術と変わらず、ポンプセル１６６を通る補助ポンプ電流に影響されない。
【００４１】
提案された本発明によれば、基準ガスチャネル１３４は比較的小さく形成することができる。これはセンサ素子１１４の安定性を向上させ、基準ガスチャネル１３４によるセンサ素子１１４の機械的妨害を減少させる。仮想アース１４８は被制御仮想アースとして形成されていてもよく、この仮想アース１４８を使用することによって、基準ガスチャネル１３４の滞留作用は、基準ガスチャネル１３４が非常に小さな体積を有することができるように、従ってまたセンサ素子１１４の機械的妨害とならないように、わずかな程度しか要求されない。それどころか、制御が最適な場合には、基準ガスチャネル１３４は閉じていてさえよい。このことは図３Ｃにおいて電極電位プロフィール１５８、１６０によって示されている。ＡＬＥ１２２の電位（曲線１６０）が例えば２．５Ｖの一定値であるのに対して、ＩＰＥ１２０の電位（曲線１５８）は空気比の上昇につれて例えば２．３Ｖから１．６Ｖへ連続的に低下する。
【００４２】
図３Ａ〜３Ｃに示されている電位プロフィールは補助ポンプセル１６６が高抵抗に設計されている場合に特に適している。この場合、補助ポンプセル１６６は電解質抵抗での電圧降下のせいで比較的高いポンプ電圧を必要とする。例えば小さな電極を選ぶことによって、補助ポンプセル１６６の抵抗が極めて高く（例えば５００Ω）設定された場合、図３Ａ〜３Ｃに示されているＶM駆動制御の線形電位プロフィールを有するケースは良い結果をもたらす。その場合には、リッチガス範囲に割り当てられた側におけるＶMが非常に高く、例えば２ｍＡの補助電流に対して２．５Ｖに選定されるように注意するだけでよい。そうすれば、リーン空気比範囲において、補助ポンプセル１６６に比べて例えば５倍大きな、ポンプセル１３６のポンプ電流が可能となる。なぜならば、補助ポンプセル１６６を通る電流はリーン空気比範囲では不要だからである。ただし、高電圧設計の場合には、リッチ空気比範囲に割り当てられた側において、ポンプ電圧がＺｒＯ2の分解電圧と内部抵抗に第３電極１６２の保護層の限界電流を乗じたものとの和よりも高く選定されないように注意すべきである。さもないと、ＺｒＯ2分解が始まってしまう。基本的にこの実施例及び他の実施例についても、水分解に起因する余分な測定電流が検出されないように、ポンプ電圧Ｕpは先行技術による従来の素子のポンプ電圧Ｕpのプロフィールを超えるべきでないということが当てはまる。仮想アースＶMの電位１６０は、（例えば部分還元の形態の）ＺｒＯ2分解によって第３電極１６２においてセンサ素子の破損が生じないように、およそＲi*Ｉp＋１．１Ｖの値を超えるべきではない。
【００４３】
最後に図３Ｄには、特に好ましい電極電位プロフィール１５８、１６０及び第３電極１６２の電極電位プロフィール１６８が示されている。この実施例及び非線形の電極電位プロフィール１５８、１６０を有する類似の実施例は、補助ポンプセル１６６が比較的低い内部抵抗を、例えば１５０Ω以下の、例えば８０Ωの内部抵抗を有している場合に特に有利である。図３Ｄの実施例では、第２電極１２２の電極電位１６０は値λ＝１において極小値を有している。所定の測定範囲にわたって各λ値に対して第２電極の電極電位１６０は、第１電極１２０に負の電位が生じないように調節される。この実施形態がもたらす利点は、極性反転が不要なため、ポンプ電圧源１５２として単極ポンプ電圧源を使用できることにある。第１電極１２０の電極電位１５８は、第２電極１２２の電極電位１６０からポンプ電圧Ｕpを減じることによって得られる。同時に、λ＝１の回りの領域に極小値があるため、特性曲線にとって特にクリティカルなこの領域では、排ガス中の非酸素成分の分解、例えば水の分解が起こりえないか、又はこの種の分解は少なくとも広範囲にわたって減少する。このようにして、多くの動作プロセスを制御しなければならないこのクリティカルな領域λ＝１の回りでも、特性曲線は定性的に明らかに改善される。
【００４４】
図３Ｄの実施例では、電位差Ｕpはλに従ってアップデートされる。さらに、この実施例では、仮想アース１４８の電位差ＶMもλに従ってアップデートされる。リッチな混合ガス組成では高いＶMが選ばれる。その結果、十分な補助ポンプ電流が得られる。これは、上述のように、小さな基準ガスチャネル１３４でも動作が可能であることを意味している。というのも、補助ポンプセル１６６によって第２電極１２２における酸素が補給されるからである。λ＝１に第２電極１２２の電位１６０の最小値が存在している。ＶMが低いため、この領域では水分解はまったく又は少ししか生じない。空気比の上昇と共に最後には、すなわちリーン空気比範囲では、第１電極１２０に負の電位が生じないように、第２電極１２２の電極電位１６０は再び高いＶMへと上昇し、これによってポンプ電圧源１５２の極性反転が妨げられる。このプロフィールの間中、第３電極１６２はつねに一定の電極電位０に置かれる。これは、第３電極１６２がヒータコンタクトＨ-を介して電気的アース１５０に接続されているからである。第２電極１２２の電位１６０は例えば１．５Ｖと０．２Ｖの間で、有利にはリッチ空気比又はリーン空気比の場合の１．０Ｖ又は１．１Ｖとλ＝１のときの０．４Ｖ〜０．６Ｖとの間で変化してよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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