Non hai indicato il modello della sonda ma, se è come quella in allegato, può funzionare anche a 5V.
In qualsiasi caso, anche se la tua prevedesse solo l'alimentazione a 12V, essendo un'uscita open collector, puoi alimentare il transistor di uscita con un resistore di pullup da 1k collegato ai 5V di Arduino.
Se non ti è chiaro, posso inviarti uno schema.
Per rispondere alla tua domanda, il comportamento sull'oscilloscopio è del tutto normale in quanto "vedi" la commutazione del transistor, ma per utilizzare l'uscita è necessario il resistore di pullup.
Con 1k la corrente che passa a 5V è circa 5mA mentre a 12V è circa 12 mA.
