Titel

Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer

Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenen Sauerstoff erzeugt wird, bekannt.

Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht als NO _x -Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches

Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347

beschrieben.

Stickoxid-Sensoren (= NO _x -Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst- Konzentrationszelle, die auch

Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die die sogenannte NO _x -Zelle. Eine dem Abgas ausgesetzte äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bilden. Die NO _x -Zelle umfasst eine NO _x - Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NO _x -Pumpelektrode befindet sich einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.

Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten 02-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft im Messgas- bzw.

Abgasstrom. In der NO _x -Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NO _c in der in dem zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NO _x stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung gegen den Widerstand der NO _x -Zelle und durch die

Konzentration des Stickoxids NO _x bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NO _x bzw. Sauerstoff ist und das NO _x - Messsignal darstellt.

Der dabei resultierende Pumpstrom lp ₂ ist somit ein Maß für die NO _x - Konzentration der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. Eine Gold- Dotierung der Elektrode der 02-Zelle verhindert zusammen mit einer limitierten Pumpspannung die Zersetzung des NOx, welches sich dann als zusätzlicher 02- Pumpstrom bemerkbar machen würde und die eigentliche NOx-Messung der zweiten Zelle verfälschen würde.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch

Verbesserungspotenzial. Zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Stickoxid- Sensors muss vorhandener Sauerstoff aus der NOx-Messzelle entfernt werden. Dies geschieht bislang durch Abpumpen des vorhandenen Sauerstoffs über die NOx-Elektrode. Die Oberfläche der NOx-Elektrode ist relativ klein. Eine zu hohe Stromdichte schädigt die Elektrode. Der zum Abpumpen zur Verfügung stehende Strom ist deshalb relativ gering, so dass für das Abpumpen des vorhandenen Sauerstoffs eine vergleichsweise lange Zeit von ca. 20 s benötigt wird. Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem die Zeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft beim Start des Sensors deutlich reduziert wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer

Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor ein Sensorelement umfasst, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle, welche eine Nernst- Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wird eine Nernstspannung der Nernstzelle von einem ersten Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert. Der zweite Soll-Wert ist größer als der erste Soll- Wert. Mittels der ersten Pumpzelle bzw. der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode wird Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum entfernt.

In der ersten Pumpzelle ist bereits nach kurzer Zeit von beispielsweise weniger als 2s der gewünschte Betriebspunkt mit einer 02- Konzentration von ca. 10 ⁶ mbar = lppm erreicht. Wird das Nernstpotenzial der Nernstzelle durch Vorgabe eines neuen Sollwerts für die Nernstspannung so verändert, dass dem Regler ein Gas mit höherem Sauerstoffpartialdruck vorgetäuscht wird, erhöht dieser die Pumpspannung an der ersten Pumpzelle, wodurch ein erhöhter Pumpstrom fließt. Somit versucht die erste Pumpzelle noch stärker Sauerstoff abzupumpen, obwohl die Zelle bereits von Sauerstoff geleert ist. Durch den

Sauerstoffkonzentrationsgradienten zwischen der ersten Pumpzelle (ca. lppm) und der zweiten Pumpzelle (>>lppm) diffundiert nun Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle bzw. dem zweiten Hohlraum in die erste Pumpzelle bzw. in den ersten Hohlraum und wird dort abgepumpt. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle.

Bei einer Weiterbildung weist der zweite Soll-Wert eine elektrische Spannung in einem Bereich von 425 mV bis 800 mV und bevorzugt 430 mV bis 650 mV auf. Diese Spannung ist ausreichend für eine schnelle Entfernung von Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle.

Bei einer Weiterbildung wird das elektronische Steuergerät über mindestens vier elektrische Anschlüsse mit dem Sensorelement verbunden, wobei das elektronische Steuergerät zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss für die erste Pumpzelle, einen zweiten gesonderten Anschluss für die zweite Pumpzelle, über einen Anschluss für die Nernstspannung und über einen gemeinsamen Anschluss verfügt. Damit lassen sich verschiedene Spannungen, Ströme und Potentiale an dem Sensorelement messen, die zur Beschreibung qualitativer und quantitativer Eigenschaften des Messgases dienen.

Bei einer Weiterbildung wird auf die Nernstspannung der Nernstzelle mittels des Steuergeräts geregelt. Das Steuergerät weist somit einen Regler auf, der in diesem integriert sein kann. Damit lässt sich die Nernstspannung besonders genau einstellen.

Bei einer Weiterbildung wird die Nernst- Elektrode mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden und die Referenzelektrode wird mit dem Anschluss für eine Nernstspannung verbunden. Damit lässt sich die Nernstzelle genau regeln.

Bei einer Weiterbildung wird die Pumpelektrode mit dem gemeinsamen

Anschluss verbunden, wobei die Gegenelektrode mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei an die Pumpelektrode und die Gegenelektrode eine elektrische Pumpspannung angelegt wird. Dabei stellt sich ein Pumpstrom zwischen der Pumpelektrode und der Gegenelektrode ein. Damit wird ein geeigneter Pumpbetrieb der zweiten Pumpzelle sichergestellt.

Bei einer Weiterbildung wird mittels des zweiten Soll-Werts der Nernstspannung der Nernstzelle ein Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum im Vergleich zu einem Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum bei dem ersten Soll-Wert der Nernstspannung vergrößert. Dadurch kann besonders gut bzw. schnell Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum in den ersten Hohlraum durch die Diffusionsbarriere gelangen.

Bei einer Weiterbildung wird das Sensorelement zumindest während des Entfernens des Sauerstoffs aus dem ersten Hohlraum beheizt. Dies beschleunigt das Entfernen von Sauerstoff zusätzlich, da sichergestellt wird, dass der Festelektrolyt ausreichend für Sauerstoffionen leitend ist.

Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.

Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.

Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.

Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die einer äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle, welcher eine Nernst- Elektrode und eine

Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei der Sensor weiterhin ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät aufweist.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Bräunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird.

Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.

Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall- Keramik- Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet- Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre

Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens zwei Zuleitungsbahnen umfassen. Die Zuleitungsbahnen werden nachfolgend auch als Zuleitung bezeichnet.

Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn bzw. Zuleitung, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung, da durch diese ein elektrischer Strom fließt. Das

Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die Erfindung ist direkt durch eine verkürzte Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft nach Start des Sensors nachweisbar. Die jeweiligen

Potenziale können an den Zuleitungen gemessen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors und Figur 2 Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.

Der Sensor 100, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer

Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, umfasst hierzu ein Sensorelement 110 eine erste Pumpzelle 112, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist. Die äußere

Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der Umgebung des Sensors 100 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom I _PI in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die erste elektrisch leitende

Verbindung 120 ist hierzu mit einem Anschluss PI eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine zweite elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Die erste Pumpzelle 112 liegt an einem ersten Hohlraum 126 an, der sich im Inneren des Sensorelements 110 befindet und mit dem Messgas in Verbindung steht. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms I _PI in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen dem ersten Hohlraum 126 und der Umgebung des Sensors 100 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem ersten Hohlraum 126 ist eine Diffusionsbarriere 128 vorhanden.

Das Sensorelement 110 weist weiterhin eine elektrische Nernstzelle 130 auf, welche eine Nernst- Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst- Elektrode 132 über die zweite elektrisch leitende

Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einem Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 für die Nernstspannung Vs auf. Die Nernstzelle 130 liegt an einem Referenzgasraum 138 an. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem Messgasraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 100 wird in den Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz- Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz-Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem

Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom I _PI derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem Messgasraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem

Referenzgasraum 138 ergibt.

Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NO _x mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140 des Sensorelements 110, welche auch als„NO _x -Pumpzelle“ bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle 140 weist eine NO _x -Pumpelektrode 142 und eine NO _x - Gegenelektrode 144 auf und liegt an einem zweiten Hohlraum 145 im Inneren des Sensorelements 110 an. Wenigstens eine der beiden Elektroden NO _x - Pumpelektrode 142 und/oder NO _x -Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NO _x weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.

Während die NO _x -Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung 146 aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NO _x - Gegenelektrode 144 eine elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom lp ₂ an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms lp ₂ an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert. Der zweite Hohlraum 145 ist von dem ersten Hohlraum 126 durch eine Diffusionsbarriere 147 getrennt.

Das Sensorelement 110 verfügt weiterhin über ein Heizelement 148, welches mittels zweier Zuleitungen 150 mit Anschlüssen HTR+ und HTR- des

Steuergeräts 122 verbunden ist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung das Sensorelement 110 auf die gewünschte Temperatur bringen kann.

Figur 2 zeigt Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Betreiben des Sensors 100. Zunächst wird in Schritt S10 das elektronische Steuergerät 122 über die oben beschriebenen elektrischen Anschlüsse mit dem Sensorelement 110 verbunden. Dies kann beispielsweise werkseitig geschehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das elektronische Steuergerät 122 über mindestens vier elektrische Anschlüsse mit dem Sensorelement 110 verbunden. So wird das elektronische Steuergerät 122 zumindest über den ersten gesonderten Anschluss PI für die erste Pumpzelle 112, den zweiten gesonderten Anschluss P2 für die zweite Pumpzelle 140, über den Anschluss für eine Nernstspannung Vs und über den gemeinsamen Anschluss COM

verbunden. Die Nernst- Elektrode 132 wird mit dem gemeinsamen Anschluss COM verbunden und die Referenzelektrode 134 wird mit dem Anschluss für eine Nernstspannung Vs verbunden. Außerdem wird die Pumpelektrode 142 mit dem gemeinsamen Anschluss COM verbunden und die Gegenelektrode 144 wird mit dem zweiten gesonderten Anschluss P2 verbunden.

In Schritt S12 wird der Sensor 100 eingeschaltet, was beispielsweise zeitgleich mit einem Starten der Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich in der zweiten Pumpzelle 140 und genauer in dem zweiten Hohlraum 145 Sauerstoff, beispielsweise aus einem vorhergehenden Betriebszyklus oder herstellungsbedingt. Aus diesem Grund ist die

Pumpelektrode 142 noch mit Sauerstoff belegt. Das Steuergerät 122 ist geeignet auf einen Sollwert für die Nernstspannung der Nernstzelle 130 zu regeln. Zu diesem Zweck weist das Steuergerät 122 einen nicht näher dargestellten Regler auf. Das Steuergerät 122 gibt für den normalen Betrieb, d.h. nach Herstellung der Betriebsbereitschaft, in Schritt S14 einen ersten Soll-Wert für die

Nernstspannung der Nernstzelle 130 vor. Der erste Soll-Wert ist beispielsweise eine elektrische Spannung von 420 mV und entspricht einem Lambda = 1 der Nernstzelle 130.

Daraufhin wird in Schritt S16 in dem Steuergerät 122 dem Regler ein geänderter Soll-Wert für eine Nernstspannung der Nernstzelle 130 vorgegeben. So wird der erste Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert, wobei der zweite Soll-Wert größer als der erste Soll-Wert ist. Der zweite Soll-Wert ist eine elektrische Spannung in einem Bereich von 425 mV bis 800 mV und bevorzugt 430 mV bis 650 mV, beispielsweise 500 mV. Dadurch stellt der Regler des Steuergeräts 122 eine höhere Pumpspannung an der ersten Pumpzelle 112 ein.

In der ersten Pumpzelle 112 ist bereits nach kurzer Zeit von beispielsweise weniger als 2s der gewünschte Betriebspunkt mit einer 02- Konzentration von ca. 10 ⁶ mbar = lppm erreicht. Wird dem Regler des Steuergeräts 11 ein anderer Soll-Wert für die Nernstspannung vorgegeben, wird dem Steuergerät 122 quasi ein Gas mit höherem Sauerstoffpartialdruck vorgetäuscht und die erste

Pumpzelle 112 versucht noch stärker Sauerstoff abzupumpen, obwohl die erste Pumpzelle 112 bereits von Sauerstoff geleert ist. Mittels des zweiten Soll-Werts der Nernstspannung der Nernstzelle 130 wird ein

Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Hohlraum 145 im Vergleich zu einem Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Hohlraum 145 bei dem ersten Soll-Wert der Nernstspannung vergrößert. Durch den

Konzentrationsgradienten zwischen der ersten Pumpzelle 112 von ca. lppm und der zweiten Pumpzelle 140 von deutlich mehr als lppm diffundiert nun Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle 140 bzw. dem zweiten Hohlraum 145 durch die Diffusionsbarriere 147 zwischen dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Hohlraum 145 in die erste Pumpzelle 112 bzw. den ersten Hohlraum 126 und wird dort abgepumpt. Das Abpumpen bzw. Entfernen des Sauerstoffs aus dem ersten Hohlraum 126 geschieht durch einen ersten Pumpstrom IPI, der sich über die erste elektrisch leitende Verbindung 120 und dem Anschluss PI eines externen elektronischen Steuergeräts 122 bei Vorgabe einer Pumpspannung durch den Regler des Steuergeräts 122 einstellt. Um einen vollständigen

Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 über die elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Zugleich wird Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum in den Referenzgasraum 138 mittels der Pumpelektrode 142 und der Gegenelektrode 144 der zweiten Pumpzelle 140 gepumpt. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle 140.

Eine weitere Beschleunigung zur Herstellung der Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle 140 lässt sich erzielen, wenn das Sensorelement 110 mittels des Heizelements 148 zumindest während des Entfernens des Sauerstoffs aus der ersten Pumpzelle 112 bzw. dem ersten Hohlraum 126 beheizt wird.