Parts per million

Bedeutung und grundlegende Einordnung

Parts per million (ppm) ist eine Hilfsmaßeinheit für einen Faktor von 10⁻⁶, also für ein Millionstel: 1 ppm = 1 · 10⁻⁶ = 0,000 001. Wörtlich bedeutet der Ausdruck „Anteile pro Million“. Ein ppm entspricht einem Promille von einem Promille. Die Angabe ist mit Prozent (%) für 10⁻² und Promille (‰) für 10⁻³ vergleichbar.

Der Gebrauch von ppm, ppb und ppt wird jedoch mit Vorsicht empfohlen beziehungsweise von Normen teilweise abgeraten, weil diese Abkürzungen sprachabhängig und missverständlich sein können. Die internationale Norm ISO 31-0 empfahl bereits 1992, ppm zu vermeiden. Die Nachfolgenorm ISO 80000-1 erklärt, Abkürzungen wie ppm, pphm, ppb und ppt seien sprachabhängig und mehrdeutig; stattdessen sollten Potenzen von 10 verwendet werden. Das Internationale Büro für Maß und Gewicht empfiehlt in der aktuellen SI-Broschüre lediglich, parts per billion und parts per trillion zu vermeiden.

Bei ppm selbst besteht keine Mehrdeutigkeit des Wortes „million“. Missverständlich bleibt die Angabe aber, wenn nicht angegeben wird, ob ein Massenanteil, Volumenanteil, Stoffmengenanteil oder eine Konzentration gemeint ist, beispielsweise mg/kg, μl/l, μmol/mol oder mg/l.

Umrechnung und Kennzeichnung von Mischungsverhältnissen

Der Artikel nennt folgende Zuordnungen: 1 % = 10 ‰ = 10 000 ppm; 1 ‰ = 1 000 ppm; 1 Basispunkt beziehungsweise 0,01 % = 100 ppm; 1 Hunderttausendstel = 10 ppm; 1 Millionstel = 1 ppm = 0,0001 %; 1 Milliardstel = 1 ppb = 0,001 ppm; 1 Billionstel = 1 ppt = 0,001 ppb; 1 Billiardstel = 1 ppq = 0,001 ppt.

In der abgedruckten Zehnerpotenzliste erscheinen einzelne Exponenten widersprüchlich zu den danebenstehenden Bruchteilen und Einheiten: Genannt werden unter anderem 10⁻²⁰ für 1 Hundertstel, 10⁻³⁰ für 1 Tausendstel, 10⁻⁴⁰ für 1 Zehntausendstel, 10⁻⁵⁰ für 1 Hunderttausendstel, 10⁻⁶⁰ für 1 Millionstel und 10⁻⁹⁰ für 1 Milliardstel. Die ausgeschriebenen Bruchteile und die Definition 1 ppm = 10⁻⁶ machen die beabsichtigten Größenordnungen erkennbar.

Volumenmischungsverhältnisse werden im Artikel mit einem nachgestellten „v“ gekennzeichnet, etwa ppmv, ppbv oder pptv. Gewichts- beziehungsweise Massenmischungsverhältnisse erhalten ein nachgestelltes „w“, etwa ppmw, ppbw oder pptw. Zugleich wird darauf hingewiesen, dass solche Anhängsel nach den Einheitenregeln nicht erlaubt sind, wenn sie zusätzliche Informationen über die Eigenschaft der Größe oder den Messkontext geben sollen.

Gehaltsgrößen in Stoffgemischen

Gehaltsgrößen beschreiben den Gehalt eines Stoffes in einem Stoffgemisch. Je nachdem, worauf der Gehalt bezogen wird, unterscheidet man Anteile, Konzentrationen und Verhältnisse. Ein ppm kann dabei verschiedene konkrete Bedeutungen haben:

• Als Massenanteil entspricht 1 ppm einem Milligramm pro Kilogramm.
• Als Volumenanteil entspricht 1 ppm einem Milliliter pro Kubikmeter.
• Als Stoffmengenanteil entspricht 1 ppm einem Mikromol pro Mol.

Die Stoffmenge wird in Mol angegeben und ist über eine Anzahl von Teilchen definiert. Der Stoffmengenanteil ist deshalb auch das Verhältnis einer Teilchenanzahl zu einer anderen Teilchenanzahl. Die gemeinsame Angabe in ppm legt jedoch nicht fest, welche dieser Größen gemeint ist. Eindeutige Benennungen und Formelzeichen bleiben daher notwendig.

Bei festen und flüssigen Stoffen wird ppm häufig verwendet, um Verunreinigungen in einem Stoff oder Stoffgemisch quantitativ anzugeben. Dabei sind Massen-, Volumen- und Stoffmengenverhältnisse gebräuchlich. Eine Angabe in μg/g, also Mikrogramm pro Gramm, ist in solchen Fällen aussagekräftiger als die bloße Angabe ppm.

Anwendungen und Beispiele

Bei Gasen werden gewöhnlich Volumenanteile oder Stoffmengenanteile angegeben. 8 ppm Kohlenmonoxid in Luft bedeuten beispielsweise 8 Mikroliter CO pro Liter Luft. Nach den Gesetzen für ideale Gase enthält ein Gasvolumen unabhängig von der relativen Molekülmasse dieselbe Teilchenanzahl. Daher entspricht bei Gasgemischen ein ppm-Volumenverhältnis zugleich dem Verhältnis der Teilchenanzahlen.

Als Beispiel nennt der Artikel 0,1 μg Blei in 1 m³ Luft. Blei besitzt bei einer relativen Atommasse von 207 eine molare Masse von 207 g/mol. Die Stoffmenge von 0,1 μg Blei beträgt (0,1/207) · 10⁻⁶ mol. Unter physikalischen Normalbedingungen beträgt das molare Volumen eines idealen Gases 22,4 l/mol; 1 m³ Luft entspricht damit 1000/22,4 mol. Daraus ergibt sich ein Stoffmengen- und Teilchenverhältnis von ungefähr 10⁻¹¹, also rund 1 Bleiatom pro 10¹¹ Luftmoleküle.

Bei Produktionsprozessen bezeichnet PPM unmittelbar eine Fehlerrate: In der Automobilindustrie liegen bei der Kenngröße „Fehler pro Million Möglichkeiten“ Werte von 10–20 ppm vor. Das bedeutet eine Wahrscheinlichkeit von 10–20 Fehlern pro einer Million Teile.

In der Geodäsie wird ppm zur Angabe der Messunsicherheit von Entfernungsmessgeräten verwendet. Dort ist ppm als Millimeter pro Kilometer zu verstehen. Bei elektrischen Bauelementen beschreibt ppm oder ppm pro Einflussänderung eine Drift, also die Veränderung eines Bauteilparameters durch eine Einflussgröße. Eine Temperaturdrift kann in ppm/°C angegeben werden, der Einfluss der Belastung in ppm/mA. Eine Kurzzeitschwankung beziehungsweise ein Rauschen kann in ppm ohne Bezug auf eine Zeitspanne angegeben werden.