NIST wordt vaak gevraagd om ongebruikelijke, soms ronduit exotisch, metingen en kalibraties ter ondersteuning van de Amerikaanse handel. Maar zelfs oude rotten in de Fluid Metrology Group waren afgelopen herfst verrast toen ze in een geschil werden geroepen over de metriek van esdoornsap.

Het ging om de nauwkeurigheid van hydrometers - instrumenten die de dichtheid van vloeistoffen meten - die worden gebruikt in de legendarische esdoornproductenindustrie in Vermont om het suikergehalte te bepalen van het sap dat elk voorjaar uit bomen wordt gehaald en vervolgens wordt ingekookt om ahornsiroop te maken. Alle hydrometers die in de industrie worden gebruikt, moeten door de staat worden geïnspecteerd en goedgekeurd. Tussen 2012 en 2016, het Vermont Agency of Agriculture, Food &Markets (AAF&M) getest 39, 241 van hen.

Sapsuikermetingen zijn van cruciaal belang voor het bedrijf. Er is ongeveer 43 gallon sap met 2% sucrose nodig om een ​​gallon ahornsiroop te maken, maar slechts ongeveer 22 gallons voor sap met een suikergehalte van 4%. Dus zelfs een kleine afwijking kan een aanzienlijke impact hebben op de waarde van het sap en op de recepten die worden gevolgd door makers van siroop en andere esdoornproducten. Maple-producten zijn een belangrijk onderdeel van de economie van Vermont. In 2013, de esdoornindustrie van de staat "heeft tussen de $ 317 en $ 330 miljoen bijgedragen aan de verkoop aan de staat Vermont, " volgens een onderzoek uit 2015 . Vermont is goed voor naar schatting 42% van alle productie van Amerikaanse esdoornproducten.

Vermont test hydrometers die in verschillende staten en in het buitenland zijn gemaakt. De betrokkenheid van NIST begon nadat een fabrikant een saphydrometer naar de AAF&M had gestuurd voor kalibratie. Het bureau testte het instrument en oordeelde dat het buiten de tolerantie lag in vergelijking met de referentiestandaard van Vermont. De fabrikant was het daar niet mee eens. Beide partijen, onafhankelijk, wendde zich tot NIST.

"Wij dienden, in werkelijkheid, als arbiter, " zegt John Wright, Projectleider voor flowmetingen in het Physical Measurement Laboratory van NIST. De fabrikant stuurde zijn hydrometer naar NIST; AAFM stuurde een referentie standaard hydrometer. Beiden waren gebaseerd op de Brix-schaal, die al twee eeuwen wordt gebruikt om het suikergehalte van wateroplossingen te meten. Het wordt gebruikt in de wijn, frisdrank, SAP, en aanverwante industrieën. Maar niet, zoals het blijkt, door typische klanten van de Fluid Metrology Group.

"Ik werk al 17 jaar bij NIST, " zegt groepslid Sherry Sheckels, 'en ik had nog nooit een Brix-hydrometer gezien.' Wright ook niet. Ook was er niet veel hulp in de wetenschappelijke literatuur. Waar, er waren canonieke tabellen — samengesteld door de voorganger van NIST, het National Bureau of Standards - daterend uit 1924 voor de dichtheid van oplossingen van rietsuiker bij 20 ° C (68 ° F), maar bij geen andere temperatuur.

Echter, de esdoorn industrie gebruikt 3,33 ° C (38 ° F) als referentietemperatuur. "De referentietemperatuur voor saphydrometers is uniek voor hydrometrie en voor de esdoornindustrie, ", zegt Marc Paquette van AAF&M. Het bureau had geprobeerd een laboratorium te vinden dat zijn Brix-saphydrometer kon kalibreren, maar niemand kon het.

"Een van de problemen was de referentietemperatuur, "zegt Paquette. "De meeste hydrometers zijn gekalibreerd op een referentietemperatuur van 20 °C of 20 °C. Maar esdoornsap wordt verzameld in het vroege voorjaar als de temperaturen laag zijn, vaak iets boven het vriespunt. We konden geen laboratorium vinden dat zich kon aanpassen aan de verandering in de referentietemperatuur."

Temperatuur is een sleutelfactor omdat thermische uitzetting of samentrekking zowel de dichtheid van de vloeistof als de afmetingen van de hydrometer beïnvloedt. Met die effecten moet rekening worden gehouden, evenals de krachten die op de hydrometer worden uitgeoefend door de oppervlaktespanning van de vloeistof en het feit dat de hydrometer een klein maar significant drijfvermogen in de lucht heeft.

NIST gebruikt Cuckow's methode om hydrometers te kalibreren, het meten van het gewicht van de hydrometer van de klant, eenmaal in de lucht en opnieuw wanneer het wordt opgehangen aan het van belang zijnde markering op de steelschaal in een vloeistof met een bekende dichtheid. Echter, het is noodzakelijk om de dichtheid gemeten in het NIST-apparaat bij 20 °C te relateren aan de dichtheid op de Brix-schaal bij de referentietemperatuur van 3,33 °C.

Om de NIST-Brix-verbinding te maken, Wright en Sheckels bereidden suikeroplossingen van 3% en 6% sucrose (met een onzekerheid van minder dan 0,001 gew.%) en maten hun dichtheid tot 3,33 °C. Hun gegevens bevestigden gepubliceerde dichtheidstabellen tot binnen 50 delen per miljoen. Om de NIST-kalibratieresultaten verder te valideren, de hydrometers van de klanten werden ook getest (met de NIST-correcties) in de gekoelde 3% en 6% sacharoseoplossingen. Deze tests bevestigden de kalibratie van het Cuckow-apparaat.

"We hebben deze twee hydrometers gekalibreerd en hebben aangetoond dat de referentie die Vermont gebruikte correct was, "zegt Wright. "En we hebben de fabrikant uitgelegd hoe je de referentietemperatuur van 3,33 °C correct kunt berekenen. Na het uitzoeken wat een juiste kalibratie vereist, we hebben onze klanten opgeleid."

Noch Paquette, noch fabrikanten van hydrometers waren bekend met de testmethoden van NIST. Maar "ze hebben het instrument uitvoerig getest, inclusief een indrukwekkend onzekerheidsbudget, "zegt Paquette. "Het gaf ons ook de mogelijkheid om ons testproces te herzien en de standaard in dat proces op te nemen."

De effecten zullen voelbaar zijn buiten de staat Vermont en één fabrikant:het laboratorium van Paquette heeft op tolerantie geteste hydrometers voor leveranciers van esdoornapparatuur in New Hampshire, Pennsylvania, New York, Wisconsin, Indiana, Connecticut, en Michigan. Dus een enkele NIST-hydrometerkalibratie wordt gebruikt door bijna 10, 000 esdoornsap-hydrometertests per jaar uitgevoerd door staatslaboratoria, zorgen voor eerlijke handel en kwaliteitsproducten voor een industrie van $ 700 miljoen per jaar.