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parts per million

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Hilfsmaßeinheit
Einheitenname parts per million
Einheitenzeichen
Formelzeichen
Typ Quotient
Definition
Benannt nach englisch parts per million, „Teile pro Million“
Siehe auch: Prozent, Promille, ppb

Der englische Ausdruck parts per million (ppm, zu Deutsch „Teile von einer Million“, Millionstel) steht für die Zahl 10−6 und wird in der Wissenschaft und der Technik für den millionsten Teil verwendet, so wie Prozent (%) für den hundertsten Teil, also 10−2, steht.[1]

Probleme machen die unterschiedliche Verwendung in Konzentrationsangaben als Volumens-, Massen- oder aber Teilchenkonzentrationmaß und die sprachliche falsche Interpretierbarkeit der Varianten ppb und ppt.

Grundlagen

parts per million (ppm) und parts per trillion (ppt)

Die internationale Norm ISO 31-0 Quantities and units – Part 0: General principles aus dem Jahre 1992 empfahl den Ausdruck ppm zu vermeiden. Dies vor allem, um damit der Gefahr von Missverständnissen bei den analog gebildeten Begriffen ppb und ppt parts per trillion vorzubeugen. Denn billion und trillion bedeuten im amerikanischen Sprachgebrauch 109 (billion, dt. Milliarde) und 1012 (trillion, dt. Billion), während sie im deutschen 1012 (für Billion) und 1018 (für Trillion) bedeuten. Deshalb ist eine Angabe in einer dieser Einheiten immer mit Vorsicht zu betrachten. Darüber hinaus wird die Abkürzung ppt in englischsprachigen Ländern manchmal auch für parts per thousand verwendet.[1][2]

Umrechnung

  • 1 Prozent = 10−2 = 10.000 ppm = 1 Teil pro Hundert = 1 %
  • 1 Promille = 10−3 = 1.000 ppm = 1 Teil pro Tausend = 0,1 % = 1 ‰
  • 1 bp (basis point/ permyriad) = 10−4 = 100 ppm = 1 Teil pro Zehntausend = 0,01 % = 1 ‱
  • 1 pcm (per cent mille) =10−5 =10 ppm = 1 Teil pro Hunderttausend = 0,001 % = 0,1 ‱
  • 1 ppm = 10−6 = 1 Teil pro Million = 0,0001 % = 0,01 ‱
  • 1 ppb (parts per billion) = 10−9 = 1 Teil pro Milliarde
  • 1 ppt (parts per trillion) = 10−12 = 1 Teil pro Billion
  • 1 ppq (parts per quadrillion) = 10−15 = 1 Teil pro Billiarde

Mischungsverhältnisse (ppmv, ppmw)

Volumenmischungsverhältnisse werden durch ein nachgestelltes „v“ by volume bzw. volume parts (zum Beispiel ppmv, ppbv, pptv) gekennzeichnet. Für ppmv wird auch die Abkürzung vpm verwendet. vpm verhält sich zu Vol.-% wie ppm zu %. Hierbei sind die oben gegebenen Hinweise zu Verwechselungsmöglichkeiten zu beachten.[3]

Gewichtsmischungsverhältnisse bzw. Massennmischungsverhältnisse werden durch ein nachgestelltes „w“ by weight (ppmw, ppbw, pptw) gekennzeichnet. ppmw verhält sich zu Gew.-% wie ppm zu %.[3]

Verwendung

Konzentrationen

Ein Massenanteil kann in Milligramm pro Kilogramm angegeben werden, eine Volumenkonzentration in Milliliter pro Kubikmeter oder ein Stoffmengenanteil in Mikromol pro mol.

Häufige Verwendung findet ppm in der Massenspektrometrie, um z. B. die Verunreinigungen in einem reinen Stoff zu messen oder die Genauigkeit der Messung (Massengenauigkeit) anzugeben. Beim Analysenzertifikat, das einer Chemikalie beiliegt, bezieht sich ppm auf die Masse der Substanz. Damit entspricht ppm der Menge der Verunreinigung in μg pro g der Chemikalie.[4]

In der Chemie wird das ppm bei Konzentrationsangaben wässriger Lösungen der gelösten Stoffe benutzt. Das bedeutet, dass ein Gramm einer Substanz in einer Million Gramm der Lösung oder Mischung enthalten ist. Dabei ist für die gelösten Stoffe ähnlicher Dichte mit 1 ppm = 1.000 ppb ca. 1 mg/l gemeint. Auch bei gleicher Dichte der gelösten Stoffe ist die Gleichung ppm = mg/l nicht immer genau und mit Vorsicht zu genießen. Trotzdem wird auch heute noch oft das ppm in falscher Weise bei Konzentrationsangaben wässriger Lösungen benutzt. Da für das Lösungsmittel Wasser eine Dichte von 1 kg/L angenommen wird, entspricht die Angabe 1 mg/L = 1 mg/kg = ppm.[5]

Bei Gasen werden die ppm gewöhnlich auf die Volumina und nicht auf die Masse bezogen. So bedeuten z. B. 8 ppm Kohlenmonoxid in Luft 8 µL CO pro Liter Luft. Auch hier ist es empfehlenswert, die Bezugseinheiten anzugeben. Für Gasgemische wird bei ppm-Angaben auch auf die Teilchenzahlen Bezug genommen. Nach dem idealen Gasgesetz finden sich in einem Gasvolumen immer die gleiche Teilchenzahl, d.h. unabhängig von der Größe (Schwere) der Teilchen.[5][6] Damit ergibt sich:

  • Konzentration in (g/m³) / Molmasse des (Wirk-)Stoffs * Molvolumen * 1.000.000 = Konzentration in ppm

Die DFG-MAK-Wert-Kommission rechnet mit einem Molvolumen von 24,1 l bei 20 °C und einem (Atmosphären-)Druck von 1013 hPa (= 1013 mbar), sodass sich die Formel ergibt zu[7]

  • Konzentration in g/m³ / Molmasse (in g/mol) * 0,0241 m³/mol Gas * 1.000.000 = Gaskonzentration in ppm

Luftmessungen, Umweltschutz

Ist die Immissionsmenge als Masseanteil pro Volumen angegeben, z. B. in µg pro m³ Luft, bezieht man sich bei der Umrechnung in ppm auf das Verhältnis der Anzahl der Moleküle.

Beispiel: 0,1 µg Blei in einem m³ Luft entsprechen (0,1 · 10−6 / 207) mol Blei in ( 103 / 22,414) mol Luft. Also kommen auf ein Blei-Atom ungefähr 1011 Luftmoleküle (somit entsprechen 0,1 µg Blei / m³ Luft etwa 10 ppt Blei in Luft). Bei dieser Rechnung wurden verwendet: Molare Masse von Blei = 207 g / mol und Anzahl der Mole der Gasteilchen bei T = 0 °C und p = 1 atm pro Liter = 1 / 22,414 mol (mit pV = nRT).

Trotz der ISO-Ablehnung werden insbesondere bei der Messung der Konzentration von Erdgas in Luft die Anteile des Gases mit Gaskonzentrationsmessgeräten oder Gasspürgeräten in ppm oder aber auch, bei höheren Konzentrationen, in Volumenprozent bzw. Volumenanteilen gemessen.[8]

Der Kohlendioxidgehalt der Luft bzw. dessen Konzentration beträgt heute ca. 400 ppm.[9]

Gerätegenauigkeit

In der Geodäsie wird oft die Genauigkeit von Geräten zur Entfernungsmessung in ppm angegeben. Hier ist damit eine Angabe von Millimeter pro Kilometer gemeint.[10]

Chemische Verschiebung

In der NMR-Spektroskopie findet das ppm Verwendung zur Angabe der Chemischen Verschiebung.[11]

Fehlerraten

Besonders in der Automobilindustrie werden Ausfallhäufigkeiten (Fehlerraten) in ppm ausgedrückt, beispielsweise bei der Elektronik in den verbauten Steuergeräten. Die Autohersteller fordern strenge ppm-Raten von den Zulieferern. Das bedeutet, von einer Million produzierter Steuergeräte darf maximal eine bestimmte, relativ kleine Anzahl defekt sein (siehe Tabelle).[12] Die folgende Tabelle soll einen beispielhaften Vergleich der geforderten Fehlerraten an einen Halbleiterhersteller geben, der seine Prozessoren sowohl in Unterhaltungselektronik als auch in der Automobilindustrie verbaut:

Unterhaltungselektronik 1000 ppm
Automobilindustrie 20 ppm[13]

Elektronik

In der Elektronik werden neben Fehlerraten auch temperatur- oder altersabhängige Veränderungen an den Bauteilparametern in ppm angegeben.[14] So gibt die Alterungszahl (drift characteristic, aging rate) die relative Veränderung der Merkmale eines Bauelements oder eines Bauteils über eine bestimmte Zeit, z. B. 5*10-6/Monat (5 ppm/Monat = 5 parts per million/month) an.[15]

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 Bernd Pesch: Messen, Kalibrieren, Prüfen Messungen planen, durchführen, bewerten, optimieren und dokumentieren. BoD – Books on Demand, 2013, ISBN 978-3-8370-9747-4, S. 21 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  2. ↑ Barry Taylor: Guide for the Use of the International System of Units (SI) The Metric System. DIANE Publishing, 1995, ISBN 978-0-7881-2579-9, S. 20 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  3. ↑ 3,0 3,1 Eugene R. Weiner: Applications of Environmental Aquatic Chemistry A Practical Guide, Third Edition. CRC Press, 2012, ISBN 978-1-4398-5333-7, S. 10,14 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  4. ↑ Jürgen H. Gross: Massenspektrometrie Ein Lehrbuch. Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8274-2981-0, S. 107 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  5. ↑ 5,0 5,1 Daniel C. Harris: Lehrbuch der Quantitativen Analyse. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-37788-4, S. 24 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  6. ↑ RÖMPP Lexikon Umwelt, 2. Auflage, 2000. Georg Thieme Verlag, 2014, ISBN 3-13-736502-3, S. 646 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  7. ↑ Deutsche Forschungsgemeinschaft (dfg): MAK- und BAT-Werte-Liste 2016: Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen und Biologische Arbeitsstofftoleranzwerte. Ständige Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe. John Wiley & Sons, Limited, 2016, ISBN 3-527-34218-4, S. 20 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  8. ↑ Michael Ulbrich Hrsg., Norman Jänchen: Grundlagen und Praxis der Gasrohrnetzüberprüfung. Vulkan-Verlag GmbH, 2009, ISBN 978-3-8027-5619-1, S. 63 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  9. ↑ Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie - Energiewende. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, 2013, ISBN 978-3-446-43737-1, S. 50 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  10. ↑ Heribert Kahmen: Angewandte Geodäsie: Vermessungskunde. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-018464-8, S. 342 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  11. ↑ Vom NMR-Spektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen Ein kurzes Praktikum der NMR-Spektroskopie. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-94014-8, S. 1 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  12. ↑ Armin Töpfer: Six Sigma Konzeption und Erfolgsbeispiele für praktizierte Null-Fehler-Qualität. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-09914-8, S. 47 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  13. ↑ Helmut Wannenwetsch: Integrierte Materialwirtschaft und Logistik Beschaffung, Logistik, Materialwirtschaft und Produktion. Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-540-89773-6, S. 231 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  14. ↑ Wolf-Dieter Schmidt: Praxis-Grundlagen für Elektrotechniker und Mechatroniker: Anforderungen im industriellen Umfeld. Diplomica Verlag, 2014, ISBN 978-3-8428-8014-6, S. 27 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
  15. ↑ Otger Neufang: Lexikon der Elektronik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-83515-4, S. 12 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
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