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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit einer Lambda-Sonde, die als sogenannte Sprungsonde ausgebildet ist. Die Größe ”Lambda” bezeichnet das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff in einem Abgas. Eine Sprungsonde gibt ein Spannungssignal ab, das sich bei Überschreiten eines bestimmten Werts von Lambda sprunghaft ändert. Typischerweise liegt der Sprung bei λ = 1, wenn in dem Abgas genau so viel Luft vorhanden ist, um den gesamten Kraftstoff im Abgas zu verbrennen.
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Die Sprungsonde, um die es vorliegend geht, im Folgenden auch als erste Sprungsonde bezeichnet, soll in einem Abgasstrang in Ausströmrichtung eines aus einem Verbrennungsmotor austretenden Abgases hinter zumindest einem Abschnitt eines Katalysators mit Sauerstoffspeicherfähigkeit angeordnet sein.
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Der Katalysator weist die Fähigkeit zur Speicherung von Sauerstoff auf, damit kurzfristige Abweichungen vom idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ = 1 gepuffert werden können. Durch eine Regelung wird erreicht, dass die Extremfälle, dass gar kein Sauerstoff im Katalysator gespeichert ist oder der Sauerstoffspeicher voll ist, nicht auftreten. Bei der Regelung werden die Spannungsmesssignale der zu analysierenden Sprungsonde verwendet. Typischerweise oszilliert der Wert von λ bei der Regelung um den Wert λ = 1. Nun kann die Sprungsonde durch Alterung ein verfälschtes Signal abgeben. Durch die Verfälschung des Signals kann es zu einem Fehllauf bei der Regelung kommen. Es ist daher erforderlich, ein Verfahren zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit der besagten Sprungsonde im Einbauzustand im Abgasstrang bereitzustellen.
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Die
DE 10 2005 016 075 A1 beschreibt ein Verfahren zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit einer Lambda-Sonde. Es wird dem Abgasstrang hierbei Abgas zugeführt, und zwar bewusst ein sprunghafter Wechsel im Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einem fetten Abgasgemisch (einem Abgasgemisch mit mehr Kraftstoff als durch die vorhandene Luft verbrennbar) zu einem mageren Abgasgemisch (einem Abgasgemisch mit mehr Luft als zum Verbrennen des vorhandenen Kraftstoffs nötig) oder umgekehrt eingesetzt. Der Wechsel im Luft-Kraftstoff-Verhältnis führt zu einem Sprung in der als Messsignal fungierenden Spannung. In der
DE 10 2005 016 075 A1 ist beschrieben, dass ein zeitlicher Abstand zwischen dem Erfassen eines solchen Sprungs im Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Lambda-Sonde und dem Erfassen eines Sprungs im Signal hinter dem Katalysator angeordneten Lambda-Sonde gemessen wird. Es wird nun davon ausgegangen, dass sich dieser zeitliche Abstand additiv aus einem Beitrag, der durch die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators bedingt ist, und einem Beitrag zusammensetzt, der durch die Sondeneigenschaften bedingt ist. Nach einer bestimmten Methodik kann auf die einzelnen Beiträge zurückgeschlossen werden. Der durch die Sondeneigenschaften bedingte Beitrag wird nach einem Schwellwertkriterium daraufhin untersucht, ob die Sonde als funktionsfähig einzustufen ist oder nicht.
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Die
DE 197 22 334 A1 beschreibt, dass eine Änderungsgeschwindigkeit eines Signals einer dem Katalysator nachgeordneten Lamda-Sonde als Beurteilungskriterium verwendet wird, und dass hierbei Signale nach einem Wechsel im Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einer durch das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators bedingten Verzögerung verwendet werden.
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In der
DE 198 28 929 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung des Dynamikverhaltens eines Messaufnehmers im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem ebenfalls ein Wechsel im Luft-Kraftstoff-Gemisch ausgenutzt wird: Es wird das Signal des Messaufnehmers während einer Regenerationsphase überwacht und bei Ausbleiben eines vorbestimmten Signalverlaufs ein fehlerhaftes Dynamikverhalten diagnostiziert.
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Nachteil der oben beschriebenen Verfahren des Standes der Technik zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit einer Nach-Katalysator-Lambda-Sonde ist, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators bei der Auswertung der Signale zu berücksichtigen ist. Diese ist aber zumeist selbst eine Unbekannte, insbesondere kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators durch Vergiftung desselben nachgelassen haben, was Effekte verursacht, die gar nicht oder kaum von durch Sondenalterung bewirkten Effekten zu unterscheiden sind.
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Zur Feststellung der Verschlechterung eines von einer Lamda-Sonde verschiedenen Sauerstoffkonzentrationssensors offenbart die
DE 60 2004 006 664 T2 , dass ein Wechsel von einem fetten zu einem mageren Betrieb herbeigeführt wird, dass eine Totzeitdauer ermittelt wird, während der ein Signal des Sauerstoffkonzentrationssensors auf einen vorbestimmten Wert herabsinkt, dass anschließend eine Änderungszeitdauer ermittelt wird, während der das Signal einen weiteren, noch niedrigeren Wert erreicht, und dass die ermittelte Änderungszeitdauer als Kriterium für den Zustand des Sauerstoffkonzentrationssensors herangezogen wird, wobei die gemessene Änderungszeitdauer mit einem von der gemessenen Totzeitdauer abhängigen Schwellwert verglichen wird. Nach Aussage der
DE 60 2004 006 664 T2 könne dadurch der Einfluss des dem Sauerstoffkonzentrationssensor vorgeschalteten Katalysators mit Sauerstoffspeicher berücksichtigt werden. Bei Änderung von dessen Sauerstoffspeicherfähigkeit ändern sich die Totzeitdauer und die Änderungszeitdauer, und letztere Änderung kann aufgrund der ersten Änderung wegen der Abhängigkeit des Schwellwerts von der gemessenen Totzeitdauer berücksichtigt werden. Eine Anwendung des Verfahrens aus der
DE 60 2004 006 664 T2 , welches Sauerstoffkonzentrationssensor betrifft, auf eine Lamda-Sonde ist gegenwärtig nicht bekannt.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit einer Lambda-Sonde in der eingangs beschriebenen Anordnung bereitzustellen, das einfach durchführbar und dennoch besonders zuverlässig ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Wie bereits im Stand der Technik üblich, wird in wechselnder Folge mageres Abgas und fettes Abgas in den Abgasstrang zugeführt, um abwechselnd eine Aufnahme von Sauerstoff durch den Katalysator (insbesondere bis hin zur Kapazitätsgrenze desselben) und eine (insbesondere vollständige) Wiederabgabe des aufgenommenen Sauerstoffs durch den Katalysator zu bewirken. Erfindungsgemäß wird zum Diagnostizieren zumindest ein von der ersten Lambda-Sonde zeitlich gesehen beim Wechsel von magerem zu fettem Abgas oder umgekehrt aufgenommenes Signal herangezogen.
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Bevorzugt werden ausschließlich beim Wechsel von der ersten Lambda-Sonde aufgenommenen Signale herangezogen.
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Das aufgenommene Signal hat somit nichts mehr mit einem Sprung in den Messsignalen der Lambda-Sonde zu tun, denn dieser ist erst Folge des Wechsels und tritt daher nach diesem auf, nicht zeitlich gesehen bei diesem. Wird beispielsweise zunächst mageres Abgas zugeführt, sammelt sich Sauerstoff im Sauerstoffspeicher des Katalysators an. Bei einem Wechsel auf fettes Abgas erfolgt nicht unmittelbar ein Sprung an der Lambda-Sonde, denn das fette Abgas entzieht dem Sauerstoffspeicher den darin gespeicherten Sauerstoff. Erst, wenn sich die Menge an gespeichertem Sauerstoff verringert, ändert sich das Signal an der Lambda-Sonde deutlich, es kann ein Sprung ermittelt werden. Die Erfindung beruht allerdings auf der Erkenntnis, dass bei einem Wechsel zwischen magerem und fettem Abgas bzw. umgekehrt besagter Puffereffekt nicht in perfekter Form auftritt, sondern dass man am Messsignal der Lambda-Sonde den Wechsel erkennen kann. Insbesondere tritt bei einem Wechsel in den Messsignalen einer voll funktionsfähigen Lambda-Sonde eine charakteristische Spitze auf, welche einem Wendepunkt in der Kurve entspricht. Altert die Lambda-Sonde, schwächt sich die Spitze ab und wird schließlich gar nicht mehr erkennbar.
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Diese Charakteristik in den Sondensignalen jenseits der Spannungssprünge gefunden zu haben, ist Leistung des Erfinders der vorliegenden Anmeldung. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt das Wissen aus, um nach einem vorbestimmten Kriterium das bzw. die Signale beim Wechsel zu analysieren, um zu Diagnostizieren, ob die Lambda-Sonde funktionsfähig ist oder nicht.
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Das charakteristische Signal im Messsignal der Lambda-Sonde tritt dann auf, wenn das neue Abgas, also das nach dem Wechsel zugeführte, gerade erstmals bei der Lambda-Sonde (Sprungsonde) ankommt. Der Austausch von Sauerstoff zwischen Abgas und Katalysator kann nicht verhindern, dass genau zu diesem Zeitpunkt im Sondensignal der Wechsel erkennbar ist.
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Zwar können Signale einer zentralen Steuereinheit, welche die wechselnde Zufuhr von magerem und fettem Abgas bewirkt, ausgewertet werden, erfindungsgemäß wird jedoch zur Feststellung, wann der Wechsel erfolgt, eine weitere Lambda-Sonde eingesetzt, die im Folgenden als zweite Lambda-Sonde bezeichnet wird. Diese soll im Abgasstrang (in Strömungsrichtung des Abgases) vor der ersten Lambda-Sonde angeordnet sein, wobei typischerweise zumindest ein Katalysatorabschnitt, bevorzugt der gesamte Katalysator, zwischen den beiden Lambda-Sonden angeordnet ist. Die zweite Lambda-Sonde ist üblicherweise ganz vor dem Katalysator angeordnet, während die erste, vorliegend einer Diagnose zu unterziehende Lambda-Sonde im Katalysator oder hinter diesem angeordnet ist.
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Durch die zweite Lambda-Sonde kann nun der Zeitpunkt eines Wechsels (von mager zu fett oder umgekehrt) ermittelt werden, z. B. bei Überschreiten eines Spannungswerts, der den Sprung anzeigt. In Abhängigkeit von diesem Zeitpunkt wird nun ein Zeitintervall definiert. Ein oder mehrere in diesem Zeitintervall durch die erste Lambda-Sonde aufgenommene(s) Signal(e) wird/werden zum Diagnostizieren herangezogen, bevorzugt ausschließlich Signale aus diesem Zeitintervall.
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Man kann das Zeitintervall nun direkt mit dem Zeitpunkt des Wechselns beginnen. Bei einer Verfeinerung beginnt das Zeitintervall jedoch um eine geschätzte oder ermittelte Durchlaufzeit nach dem Zeitpunkt des Wechsels, und zwar ist die Durchlaufzeit diejenige Zeit, die das Abgas zum Durchlaufen des Abgasstrangs von der zweiten Sprungsonde zur ersten Sprungsonde benötigt.
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Das Zeitintervall kann im Verhältnis zur Zeitskala des Wechsels relativ kurz sein. Erfindungsgemäß hat es eine Länge von höchstens 50 ms, bevorzugt von weniger als 20 ms. Ein typischer Wert für das Zeitintervall beträgt 10 ms, wobei es um 5 bis 10 ms nach dem Zeitpunkt des Wechsels im Signal der zweiten Lambda-Sonde beginnt, um die Gaslaufzeit zu berücksichtigen. Es ist zu beachten, dass diesen Zeitintervallen ein Zeitmaßstab von 0,5 bis 2,5 s gegenüber zu stellen ist, mit dem jeweils die Zufuhr von magerem bzw. fettem Abgas erfolgt. Das Zeitintervall, aus dem beim Wechsel die Signale zum Diagnostizieren herangezogen werden, ist also höchstens ein Zehntel so groß, bevorzugt höchstens ein Zwanzigstel oder gar Fünfzigstel so groß wie das Zeitintervall zwischen einem Wechsel von mager zu fett bzw. umgekehrt.
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Das spezifische zu analysierende Signal lässt sich an seinem Zeitverlauf erkennen, so dass bevorzugt die zeitliche Ableitung eines Spannungssignals der Lambda-Sonde zu zumindest einem Zeitpunkt aus dem Zeitintervall dazu verwendet wird, einen Ableitungszahlenwert zu definieren, der zum Diagnostizieren verwendet wird. Der Ableitungszahlenwert kann der maximale Betrag der zeitlichen Ableitung im Zeitintervall sein, aber auch der durchschnittliche Betrag dieser zeitlichen Ableitung. Der Ableitungszahlenwert wird typischerweise nach einem vorbestimmten Kriterium mit einem Schwellwert verglichen, durch das festgelegt wird, ob die erste Sonde als funktionsfähig gilt oder nicht. Anstelle den Ableitungszahlenwert direkt mit einem solchen Schwellwert festzulegen, kann er auch ins Verhältnis zu einem weiteren Ableitungszahlenwert als Referenzableitungszahlenwert gesetzt werden und eine so erhaltene Verhältnisgröße dann mit einem Schwellwert nach einem vorbestimmten Kriterium verglichen werden, durch das festgelegt wird, ob die erste Sonde als funktionsfähig gilt oder nicht. Der weitere Ableitungszahlenwert wird anhand zumindest eines Signals der ersten Lambda-Sonde in einem weiteren Zeitintervall ermittelt, das vor dem in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt des Wechsels ermittelten Zeitintervall liegt (und bevorzugt seinerseits in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt des Wechsels definiert wird). Das weitere Zeitintervall kann unmittelbar vor dem ersten Zeitintervall liegen oder zur Sicherheit bei Berücksichtigung der Durchlaufzeit des Abgases durch den Abgasstrang von der zweiten Sprungsonde zur ersten Sprungsonde bei der Definition des ersten Zeitintervalls vor dem Zeitpunkt des Wechsels liegen.
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Der weitere Ableitungszahlenwert, der für die Verhältnisgröße verwendet wird, kann der minimale Betrag der zeitlichen Ableitung im weiteren Zeitintervall sein, insbesondere wenn der zuvor definierte Ableitungszahlenwert der maximale Betrag der zeitlichen Ableitung im Zeitintervall ist. Wird für den ersten Ableitungszahlenwert der durchschnittliche Betrag der zeitlichen Ableitung im Zeitintervall verwendet, so wird bevorzugt für den weiteren Ableitungszahlenwert ebenfalls der durchschnittliche Betrag der zeitlichen Ableitung, und zwar im weiteren Zeitintervall, verwendet.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung erläutert, wobei
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1 eine Anordnung zeigt, bei der ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens sinnvoll ist und
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2 schematisch den Kurvenverlauf einer Vorkatsonde sowie einer Nachkatsonde zeigt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasstrang 2. Der Abgasstrang 2 umfasst einen Abgaskatalysator 3, der z. B. als Drei-Wege-Katalysator, als NOx-Speicherkatalysator oder als ein aktiver Partikelfilter ausgebildet ist sowie einen integrierten Sauerstoffspeicher 4 beinhaltet. Der Abgasstrang 2 umfasst ferner eine stromauf des Abgaskatalysators 3 angeordnete Lambda-Sonde 5, die als Führungssonde dient sowie eine dem Abgaskatalysator 3 zugeordnete Lambda-Sonde 6, die als Regelsonde dient.
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Die Lambda-Sonde 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel stromab des Abgaskatalysators 3 angeordnet. Genauso gut könnte diese Lambda-Sonde jedoch auch direkt im Abgaskatalysator 3, d. h. nach einem Teilvolumen des Sauerstoffspeichers 4, angeordnet sein.
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Es ist im Folgenden davon ausgegangen, dass sich das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest mit einer vorgegebenen Genauigkeit auf ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ einstellen lässt.
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Vorliegend wird in wechselnder Folge ein mageres Abgasgemisch und ein fettes Abgasgemisch abgegeben. Die Lambda-Sonde 5 misst dann die in der Kurve 10 wiedergegebenen Spannungssignale. Deutlich zu erkennen ist, dass die Spannung zwischen einem Wert bei 0,8 V und einem Wert bei 0,1 V hin- und herspringt. Die Sprünge sind relativ steil, so dass ihnen eindeutige Zeitpunkte zugeordnet werden können, z. B. anhand eines Schwellwertkriteriums (Unter- bzw. Überschreiten von 0,45 V o. ä.).
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Bei Messung der Kurve 10 durch die Sonde 5 misst die Sonde 6 Signale gemäß der Kurve 12, wenn sie voll funktionsfähig, z. B. neu, ist. Die Sonde 6 misst Signale entsprechend der Kurve 14, wenn sie nicht mehr ausreichend funktionstüchtig ist, z. B. aufgrund von Alterung.
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Die Kurven 12 und 14 unterscheiden im Verlauf im entsprechend dem Beispiel angegebenen Zeitfenster von 1,0 bis 2,5 s nach dem (vorliegend willkürlich gesetzten) Zeit-Nullpunkt. Typischerweise kann man anhand dieses Verlaufs auf den Alterungsgrad der Sonde zurückschließen. Der Verlauf wird hierbei insbesondere als Sondenspannungssprung interpretiert, wenngleich die Kurven 12 und 14 diesbezüglich auch nicht die Steilheit der Kurve 10 haben.
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Vorliegend steht gerade nicht der Verlauf in der Sondenspannung zwischen 0,7 und 0,2 V im Zentrum des Interesses. Vielmehr steht ein Zeitintervall im Bereich um den anhand der Kurve 10 erkennbaren Wechsel von magerem zu fettem Abgas bzw. umgekehrt im Zentrum des Interesses. Es lässt sich ein Zeitintervall I1 vor dem Wechsel und ein Zeitintervall I2 nach dem Wechsel festlegen. Die Grenze zwischen den Intervallen kann um eine geschätzte Durchlaufzeit verschoben sein gegenüber dem Sprung in der Kurve 10, denn das Abgas muss den Weg von der Lambda-Sonde 5 zur Lambda-Sonde 6 durchlaufen. Diese Durchlaufzeit ist aber äußerst klein im Verhältnis zu den Zeitdimensionen, die in 2 dargestellt sind, und daher nicht in ihr erkennbar. Im Bereich der Zeitintervalle I1 und I2 ändert sich der Kurvenverlauf in der Kurve 12, welche durch eine funktionsfähige Sonde gemessen wird, drastisch: Es gibt einen charakteristischen Wendepunkt 16 in der Kurve 12, wobei nach dem Wendepunkt 16 die Kurve 12 in einem Bereich 18 der Kurve 12 besonders steil abfällt.
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Bei einer nicht voll funktionsfähigen Sonde wird der Effekt einer Filterung sichtbar. Die Filterung bei einer gealterten Sonde ist insbesondere dergestalt, dass nicht mehr ein ausgeprägter Wendepunkt nach Art des Wendepunkts 16 in der Kurve 14 zu erkennen ist. Es kommt auch nicht zu einem steilen Abfall nach einem solchen Wendepunkt.
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Zur Erkennung der Funktionsfähigkeit einer Sonde genügt es daher, das Intervall I2 alleine zu betrachten oder den Kurvenverlauf im Intervall I2 mit dem im Intervall I1 zu vergleichen. Der steile Abfall im Bereich 18 der Kurve 12 spiegelt sich wider in einem betragsmäßig hohen Wert der zeitlichen Ableitung, gemittelt über das Intervall I2. Die Abwesenheit dieses steilen Abfalls bei der Kurve 14 spiegelt sich wider in einem vergleichsweise betragsmäßig kleinen Wert der gemittelten zeitlichen Ableitung im Intervall I2. Es genügt daher, diese Mittelwerte miteinander zu vergleichen, z. B. einen Verhältniswert festzulegen. Wird ein Schwellwert durch diesen Verhältniswert unterschritten, kann eine Sonde als nicht mehr ausreichend funktionsfähig diagnostiziert werden. Da die Kurve 12 im Bereich vor dem Wendepunkt 16 flacher ist als die Kurve 14 im Intervall I1 drücken sich Unterschiede im Kurvenverhalten in einem solchen Verhältniswert noch stärker aus als in den Absolutwerten für die durchschnittliche Zeitableitung im Intervall I2 alleine, die allerdings auch ohne die Werte aus I1 zum Diagnostizieren herangezogen werden könnten.
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Analoge Betrachtungen lassen sich zu den Intervallen I3 und I4 zu dem umgekehrten Wechsel bei Spannungssprung nach oben in der Kurve 10 machen. So kann anhand der Werte im Intervall I4, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Werte im Intervall I3, darauf zurückgeschlossen werden, ob die Sonde voll funktionsfähig ist oder nicht. In der Kurve 12 zeigt sich auch hier ein ausgeprägter Wendepunkt 20 und ein steiler Verlauf der Kurve im Bereich 22, während bei der Kurve 14 das Verhalten stark abgeschwächt ist, nämlich durch den Effekt einer Filterung aufgrund der Alterung der Sonde.