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Meßgerät zur Bestimmung der Schwefeldioxidkonzentration der Luft Die
Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Bestimmung der Schwefeldioxidkonzentration der
Luft durch Adsorption in einem Adsorptionismitte 1.
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Derartige e Meßgeräte dienen systematischen Untersuchungen über das
Ausmaß der Luftverschmutzung. Eine größere Anza in einem Gebiet verteilt aufgestellter
r Meßgeräte liefert Angaben über Ursprung und Stärke der r Schwefeldioxidkonzentration
des betreffenden Gebietese Sie liefern damit Unterlagen n für die Beurteilung technischer
und raumplanerischer Maßnahmen. außerdem kann durch die Entnahme ein Schwefeldioxidprobe
e über einen Zeitraum von zwei bis drei
gen hinweg der Einfluß individueller
Wetterlagen auf die SO2- Konzentrationsverteilung untersucht werden.
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Es ist bekannt, Schwefeldioxid durch Diffusion an ein Adsorptionsmittel
heranzuführen. Diese Methode hat zwar den Vorteil sehr billig zu sein, liefert aber
keine quantitat iv erfaßbarer Konzentrationswerte; auch ist sie für einen zwei-
bis dreitägigen jießzeitraum, wie er zur Erfassung individueller Wetterlagen erforderlich
ist, nicht empfindlich genug.
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Ein Verfahren zur Adsorption von Schwefeldioxid an Silikagel und einer
anschließenden quantitativen Analyse ist von H.Stratmann "Sine mikroanalytische
Methode zur Bestimmung von Schwefeldioxid in der Atmosphäre" in Mikrochimica acta
1954/6 5.669 - 677 angegeben. Hierbei wird eßluft durch ein mit Silikagel gefülltes
Adsorptionsrohr geleitet, wobei das in der Meßluft enthaltene Schwefeldioxid vollständig
adsorbiert wird. Das hierzu verwendete Adsorptionsrohr weist jedoch teuere und in
ihrer Handhabung empfindliche, geschliffene Quarzglasanschlüsse auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und billiges
Meßgerät zu schaffen, das S02-Proben aus einer bestimmbaren Luftmenge für das von
H.Stratmann angegebene Verfahren über einen Zeitraum von einigen Tagen nimmt. Das
Meßgerät soll auch bei tiefen Temperaturen bis etwa -10°C einwandfrei arbeiten und
Zeitpunkt und Zeitdauer der automatischen Probennahme soll im voraus wählbar sein.
Um in der Wahl des Meßortes unabhängig zu sein, soll das Gerät eine eigene Stromversorgungseinrichtung
aufweise.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß grundsätzlich dadurch
gelöst,
daß eine Purnpe an ein mit Adsorptionsmittel gefülltes Adsorptionsrohr angeschlossen
ist, die Pumpe ein Zählwerk zum Zahlen der Pumpenhübe aufweist, und eine Schaltuhr
vorgesehen ist, die die Pumpe zu verschiedenen, vorher wählbaren Zeiten ein- und
dann ausschaltet.
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Die Pumpe saugt bei einer sich über einige Tage erstreckenden Messung
vorzugsweise nur etwa 30 Liter Meßluft durch das Adsorptionsrohr . Sinne vorteilhafte
und zugleich sehr billige Ausführung des Meßgeräts weist deshalb eine Schlauchquetschpumpe
auf. Eine funktionssichere Ausführung einer Schlauchquetschpumpe mit konstanter
Pörderleistung weist ein Sternrad (Rollenkäfig) mit wenigstens zwel, , vorzugsweise
vier, Schlauchquetschvorrichtungen zum Einschließen und Fördern wenigstens eines
Luftpfropfens in einem Schlauch auf.
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Die Schlauchquetschpumpe fördert einen kontinuierlichen, maximalen
Luftstrom bei geringstmöglicher Antriebsleistung, wenn das Sternrad jeweils Luftpfropfen
mit gleich großem Volumen einschließt.
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Das Abrutschen des Schlauches vom sternrad verhindert die Ausbildung
der Schlauchquetschvorrichtung als Rolle mit balliger Form.
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Zinke besonders einfache Ausführung des Zählwerks zahlt die Umdrehungen
des Sternrades.
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Die Lebensdauer des Schlauches und damit die Betriebssicherheit des
Meßgeräts erhöht sich, wenn der Schlauch
aus einem hochabriebfesten,
elastischen Silikongummi ist.
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Um die Belegung der Silikagelporen mit Wasser aus der Meßluft in zulässigen
Grenzen zu halten, fördert die Schlauchquetschpumpe etwa 7.5 bis 30 1 pro Tag, vorzugsweise
10 -15 l pro Tag, entsprechend 60 bis 100 Luftpfropfen pro Minute mit 0,01 cm3 bis
1 cm3, vorzugsweise etwa 0,1 cm3.
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Eine an die feststehenden, vorzugsweise verwendeten ganztägigen Pumpenbetriebszeiten
angepaßte Schaltuhr enthält ein auswechselbares, jeweils eine feststehende Pumpenbetriebszeit
schaltendes Kontaktrad.
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Eine einfache Einstellung einer Vorlaufzeit wird dadurch erreicht,
daß das Kontaktrad auf einem Radius eine elektrische Kontaktbahn aufweist, deren
Länge der Pumpenbetriebszeit zuzüglich einer Vorlaufzeit entspricht, und daß zwei
elektrische Kontakte derart angebracht sind, daß während der Vorlaufzeit einer der
Kontakte die Kontaktbahn berührt und während der Pumpenbetriebszeit beide Kontakte
die Kontaktbahn berühren.
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Um das Meßgerät auch unbeaufsichtigt lassen zu können, muß verhindert
werden, daß das Meßprogramrn ein zweites bial durchlaufen wird. Dies erreicht man
am leichtesten dadurch, daß das Kontakt rad ein Zahnrad ist und im Zahnkranz eine
Lücke zur Stillsetzung des Kontaktrades aufweist, die den nicht zur Kontaktbahn
gehörenden Sektor des Kontaktrads umfaßt.
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Um bei der Aufstellung der ,§leßgeräte im Rahmen eines Meßnetzes unabhängig
zu sein, ist es vorzugsweise in einem batteriebetriebenen Feldaufbau mit geringem
Energieverbrauch
ausgeführt. Bin besonders billiges Feldmeßgerät
enthält einen Antriebsmotor für Gleichstrom, ein Untersetzungsgetriebe illit zwei
Stufen, eine Schlauchquetschpumpe, ein Zählwerk aus einem Fahrradkilometerzähler
ohne Reibhemmung, eine Schaltuhr mit einem Federuhrwerk und eine Bleiakkumulatorbatterie.
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Die Betriebssicherheit wird erhöht und der Verschleiß und die Reibung
des Getriebes nimmt ab, wenn das Untersetzungsgetriebe in einer ersten schnelldrehenden
Stufe ein auch bei tiefen Temperaturen dünnflüssiges, kriechfähiges Öl und in einer
zweiten langsamdrehenden Stufe ein dickflüssigeres 01 enthält.
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Die Herstellungskosten des Geräts vermindern sich weiterhin durch
die Verwendung einfacher Schlauchverbindungen zwischen der Pumpe und dem Adsorptionrohr
an Stelle der von H.Stratmann vorgeschlagenen geschliffenen Quarzglasanschlüsse
Die auf die Messung folgende Analyse vereinfacht sich, da ein Teil des Adsorptionsrohres
zur Aufnahme eines zur Analyse benötigten Platinkontaktes ausgebildet ist Sinne
mögliche Ausführungsform des Meßgerätes soll im folgenden an Hand von Zeichnungen
beschrieben werden. Hierbei zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Meßgerätes Fig.
2 eine Seitenansicht der Schlauchquetschpumpe Fig0 3 einen Querschnitt durch die
Schlauchquetschpumpe nach Fig. 2
Fig. 4 die Funktionsweise der Schaltuhr
Fig. 5 ein Adsorptionsrohr.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Meßgeräts. Ein Adsorptionsrohr
1 weist ein Lufteintrittsrohr 2 und ein Luftaustrittsrohr 3 auf und ist mit dem
Luftaustrittsrohr 3 an einen Saugstu-tzen 4 einer Schlauchquetschpumpe 5 angeschlossen.
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Ein Motor 6 ist zur Untersetzung seiner Drehzahl mit einem zweistufigen
Getriebe 7 verbunden, Eine Antriebswelle 8 verbindet das Getriebe 7 mit der Schlauchquetschpumpe
5. Ein Zählwerk 9 ist ebenfalls an die Antriebswelle 8 angekoppelt und zählt die
Pumpenhübe der Schlauchquetschpumpe 5. Eine elektrische Leitung 10 verbindet den
rotor 6 mit einer Stromquelle 11 mit annähernd konstanter Entladespannung.
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In den Stromkreis ist eine Schaltuhr 12 in Serie geschaltet, die den
Stromkreis schließt oder unterbricht. Ein kegeln schutztrichter 13 ist über der
Öffnung des Lufteintrittsrohres 2 befestigt und schützt die Öffnung des Lifteintrittsrohres
2 vor eindringendem Regenwasser.
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Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Schlauchquetschpumpe 5.
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Die Antriebswelle 8 ist starr mit einem Rollenkäfig 14 verbunden.
ie Flanschverbindung 15 des Rollenkäfigs 14 verbindet je eine runde Scheibe 16 und
17 mit der Antriebswelle 8. Zwischen den Scheiben 16 und 17 sind auf einem iadiuskreis
um die Antriebswelle 8 gleichverteilt angeordnet vier Rollen 18 drehbar an den Scheiben
16 und 17 befestigt.
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Die Antriebswelle 8 ist beiderseits des Rollenkäfigs 14 in je einem
Lagerbock 19 drehbar gelagert. Die Lagerböcke 19 sind auf einer Grundplatte 20 befestigt.
ber die Rollen 18 des Rollenkäfigs 14 ist ein Schlauch 21 aus einem hochelastischen,
abriebfesten
Silikongummimaterial gespannt, der an einem Ende an den Saugstutzen 4 und am anderen
Ende an einem Luftaustrittsstutzen 22 angeschlossen. ist. Der Schlauch 21 hat einen
Innendurchmesser von etwa 3 mm. Der Saugstutzen 4 und der IJuftaustrittsstutzen
22 sind an der Grundplatte 20 so befestigt, daß der Schlauch 21, abhängig von der
Stellung des Rollenkätigs 14, auf wenigstens einer Rolle 18 ständig aufliegt. Der
Schlauch 21 ist so straff über den Rollenkäfig 14 gespannt, daß die jeweils berührenden
Rollen 18 den Schlauch 21 aufgrund seiner Eigenelastizität luftdicht abquetschen.
Zwischen zwei den Schlauch 21 abquetschenden Rollen 18 ist deshalb ein Luftpropfen
mit gleichbleibendem Volumen eingeschlossen. Der Rollenkäfig 14 transportiert bei
Rotation diesen Luftpfropfen durch den Schlauch 21. Dem Transport eines Luftpfropfens
vom Saugstutzen 4 zum Buftaustrittsstutzen 22 entspricht ein Pzmperhub. Da ständig
wenigstens eine Rolle 18 den Schlauch 21 abquetscht, fördert die Schlauchquetschpumpe
5 einen kontinuierlichen Luftstrom, Die Rollen 18 sind ballig ausgebildet; der Rollendurchmesser
ist in der Mitte größer als am Rollenende. Ein geeignetes Verhältnis dieser Durchmesser
ist etwa 1,5 : 1. Die ballige Ausbildung der Rollen 18 verhindert im Betrieb das
Abrutschen des Schlauches 21 vom Rollenkäfig 14 bzw. sein Schleifen an den Scheiben
16 und 17. Das Abquetschen des Schlauches 21 verursacht bei Rotation des Rollenkäfigs
14 eine Reibung der Schlauchinnenseiten gegeneinander. Die Reibung ist um so größer
Je kleiner der Durchmesser der Rollen 18 und je straffer der Schlauch 2i über den
Rollenkäfig 14 gespannt ist. Ein optimaler Wert für den Durchmesser in der Rollenmitte
beträgt etwa das l,-ache des Schlauchdurchmessers. Die Spannung des Schlauches 21
ist so gewählt, daß die Rollen 18 den Schlauch
21 gerade luftdicht
abquetschen.
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zur Bestimmung des Fördervolumens der Schlauchquestschenpumpe 5 ist
das mechanische Zählwerk 9 mit der Antriebswelle 8 gekoppelt. Las Zählwerk 9 zählt
die Umdrehungen der Antriebswelle 8 und seine Anzeige kann nach einer für den betreffenden
Schlauch 21 durchgeführten Lichnessung direkt in cm3 umgerechnet werden. zin sehr
billiges Zählwerk 9 erhält man bei Verwendung eines für Fahrräder handelsüblichen
Kilometerzahlers in einer Metallausführung. Solche Kilometerzähler weisen als Antrieb
einen Schaltstern (nicht dargestellt) auf, in den bei jeder Umdrehung der Antriebswelle
8 wenigstens ein an der Antriebswelle 8 befestigter Schaltarm (nicht dargestellt)
eingreift und den Schaltstern und damit das Zählwerk 9 um eine LiEheit weiterstellt.
Die relativen Fehlergrenzen eines solchen Zählwerks 9 liegen dabei etwa bei + 1%.
Um die Reibung und damit die notwendige Antriebsleistung gering zu halten, ist die
Reibhemmung des Kilometerzählers ausgebaut.
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Der Motor 6 ist ein handelsüblicher elektrischer Präzisionsgleichstrommotor
mit einer im Vergleich zu seiner Nennbetriebsspannung sehr geringen Anlaufspannung.
Bei einer Drehzahl im Bereich von 12 500 bis 14 500 Umdrehungen pro Minute erzeugt
der Motor 6 an seiner Abtriebswelle (nicht dargestellt) ein Drehmoment von etwa
1 cmp. Bei einer Nennbetriebsspannung von 2 V nimmt er einen Strom von 120 -150
mA auf. Das an die Abtriebswelle des rotors 6 angekoppelte Getriebe 7 untersetzt
die Drehzahl des Motors 6 um das Verhältnis 485 : 1 auf die Betriebsdrehzahl. der
Schlauchquetschpumpe 5, die zwischen 25 und 30 Umdrehungen pro Minute liegt und
hierbei etwa 15 Liter pro (jag fördert.
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Eine Abtriebswelle (nicht dargestellt) des Getriebes 7 ist mit der
Antriebswelle 8 zusammengekoppelt und überträgt ein Drehmoment von etwa 450 cmp.
Das Getriebe 7 besteht aus zwei unterschiedlich ausgelegten, von einander getrennten
Getriebestufen. Die erste Getriebestufe (nicht dargestellt) ist ein handelsübliches,
zum Motor 6 lieferbares Getriebe mit einer Untersetzug wie 4 : 1. Es enthält die
mit der hohen Motordrehzahl sich drehenden Zahnräder. Die erste Getriebestufe ist
direkt an den Motor 6 angeflanscht und enthält zur Schmierung ein selbst bei tiefen
Temperaturen dünnflüssiges, kriechfähiges Öl. Der Viskosebereich dieses Öls ist
so gewählt, daß schnelldrehende Zahnräder es nicht abschleudern, und daß andererseits
das Öl die schnelldrehenden Zahnräder nur wenig abbremst. Die zweite Getriebestufe
(nicht dargestellt) ist ein robustes, einfaches Zahnradgetriebe mit einer Untersetzung
wie 1I,2 : 1, das für den hohen Zahnflankendruck der langsamdrehenden Zahnräder
ausgelegt ist. Schrniermittel der zweiten Getriebe stufe ebenso wie der Antriebswelle
8 ist ein MpS2-haltiges Öl.
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Zur Erzielung der rehzahlkonstanz des Motors 6 ist die Stromquelle
11 ein handelsüblicher Bleiakkumulator mit einer, auch bei tiefen Demperaturen an
die Motorleistung angepaßten Kapazität von etwa 15 Ah und einer annähernd konstanten
Entladessannung.
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In der Leitung 10 von der Stromquelle 11 zum Motor 6 liegt die Schaltuhr
12 in Serie. Nach einer einstellbaren Vorlaufzeit von mindestens 8 Stunden schaltet
die Schaltuhr den Motor ein und nach wahlweise 24, 48 oder 72 Stunden wieder aus.
Das Uhrwerk der. Schaltuhr 12 ist ein einfaches, handelsübliches
Federwerk
mit 8 Tagen Gangreserve. Die Minutenzeigerwelle des Uhrwerks weist einen Kinstellknopf
(nicht dargestellt) zum Einstellen der Vorlaufzeit auf. Die Funktionsweise der Schaltuhr
12 beschreibt Fig. 4. Mxf der Stundenzeigerwelle des Uhrwerks ist ein Zahnrad 23
mit zwölf Zähnen (ein Zahn entspricht einer Stunde) befestigt. Das Zahnrad 23 treibt
ein Zahnrad 24 mit 100 Zähnen an. Das Zahnrad 24 ist aus einem elektrisch gutleitendem
Metall und ist so gelagert, daß es auf einfache eie auswechselbar ist. Es weist
eine Lücke im Zahnkranz auf, die den schaltvorgang nach einem Umlauf beendet und
ein erneutes Anlaufen verhindert. tie verbleibenden Zähne des Zahnrads 2n entsprechen
in ihrer Zahl der gewünschten Meßzeit zuzüglich der geforderten maximalen Vorlaufzeit.
Ls sind verschledene Zahnräder 24 mit 32, 56 oder 80 Zähnen auf dem verbleibenden
Zahnkranz vorbereitet. In das Zahnrad 24 ist eine Nut als Kontaktbahn 25 eingefräst.
Ein Schaltkontakt 26 und ein weiterer Schaltkontakt 27, jeweils aus iederstahl,
gleiten in der Kontaktbahn 25. Die Kontaktstellen der Schaltkontakte 26 und 27 sind
auf dem Zahnrad 24 tun 8 Zähne voneinander entfernt, was der maximalen Vorlaufzeit
entspricht. Bei Beginn der Messung ist in der Stellu "Vorlauf" der behaltuhr (Fig.4a)
der Kontakt 26 geschlossen und der anfang der Kontaktbahn 25 ist entsprechend der
eingestellten Vorlaufzeit vom Kontakt 27 entfernt. Nach Ablauf der Vorlaufzeit (Fig.4b)
schließt der Kontakt 27 ebenfalls; der Stromkreis zum Motor 6 ist geschlossen und
öffnet erst, wenn der Kontakt 26 das andere sunde der Lücke im Zahnkranz erreicht.
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Das Zahnrad 24 dreht sich solange weiter, bis auch das Zahnrad 23
die Lücke erreicht; das Meßgerät ist stillgesetzt (Fig.4c).
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Das Adsorptionsrohr 1 aus Quarzglas ist an die speziellen Erfordernisse
der Schlauchquetschpumpe 5 angepaßt (Fig.5).
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Eine Adsorptionskammer 28 mit etwa 18 mm Durchmesser enthält etwa
10 Grçnm-feinporiges, schwefelfreies Silikagel zur Adsorption von 502. Die Adsorptionskammer
28 ist an beiden Enden mit je einem Quarzwollepfropfen 29 luftdurchlässig verschlossen
und verjüngt sich an einem Ende zum Lufteintrittsrohr 2 und am anderen Ende zum
Luftaustrittsrohr 3 mit jeweils etwa 5 mm Durchmesser. Das Suftaustrittsrohr 3 ist
durch einen kurzen Schlauch (nicht dargestellt) mit dem Ansaugstutzen 4 der Schlauchquetschpumpe
5 verbunden. Um bei der geringen Strömungsgeschwindigkeit der Sießluft S02-Adsorption
im Lufteintrittsrohr 2 zu vermeiden, ist das Lufteintrittsrohr 2 nur etwa 5 cm lang
und saugt die eluft direkt an. Das Meßgerät soll den Gehalt der Luft an reaktiven
Schwefelschadstoffen messen. Aus diesem Grund ist keine Phosphorsäurevorlage zum
Auswaschen von Schwefelwasserstoff vorgesehen, zumal der Gehalt an H2S normalerweise
nur einige Prozent des S02-Gehaltes ausmacht.
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Das Lufteintrittsrohr 2 und das Luftaustrittsrohr 3 sind in ihrem
Durchmesser so gewählt, daß ein zur Analyse und Auswertung der Messung nach dem
H.Stratmann-Verfahren notwendiger Platinnetzkontakt kein eigenes Kontaktrohr benötigt,
sondern in das Lufteintrittsrohr 2 oder das Luftaustrittsrohr 3 eingebracht werden
kenn. Ein sonst notwendiger Quarzschliff des Adsorptionsrohrs 1 zum Anschluß des
Kontaktrohrs entfällt.
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ie Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die einzelnen
Funktionsgruppen des Meßgeräts in einem
Feldaufbau auf einfache
Weise aus billigen, handelsüblichen lementen hergestellt wereen können0 Die besondere
Anpassung des Adsorptionsrohres an das nachträgliche SO2-Analysevorfabren erübrigt
die Verwendung teurer und empfindlicher Quarzschliffe der Adsorptionsrohrenden.
Die einstellbare Vorlaufzeit der Schaltuhr ermöglicht eine, mit mehreren Mengeräten
an verschiedenen Orten gleichzeitig durchgeführte Messung, auch bei Bedienung der
Meßgeräte durch eine einzelne Person. die Schlauchquetschpumpe fördert trotz geringer
Fördermenge eine genau bestimmbarre Luftmenge.