NIST metrologi og ahornsirupindustrien

NIST bliver ofte bedt om at give usædvanlige, nogle gange direkte eksotisk, målinger og kalibreringer til støtte for amerikansk handel. Men selv gamle hænder i Fluid Metrology Group blev overrasket sidste efterår, da de blev kaldt ind i en tvist om metrics af ahorn saft.

Der var tale om nøjagtigheden af ​​hydrometre - instrumenter, der måler tætheden af ​​væsker - der blev brugt i Vermonts legendariske ahornproduktindustri til at bestemme sukkerindholdet i saften, der udvindes fra træer hvert forår og derefter koges ned for at lave ahornsirup. Alle hydrometre, der bruges i industrien, skal inspiceres og godkendes af staten. Mellem 2012 og 2016, Vermont Agency of Agriculture, Food &Markets (AAF &M) testet 39, 241 af dem.

Målinger af saftsukker er kritisk vigtige for virksomheden. Det tager omkring 43 liter saft indeholdende 2% saccharose at lave en gallon ahornsirup, men kun omkring 22 gallons til saft med 4% sukkerindhold. Så selv en lille uoverensstemmelse kan have en betydelig indvirkning på værdien af ​​saften og på opskrifterne efterfulgt af producenter af sirup og andre ahornprodukter. Ahornprodukter er en vigtig komponent i Vermonts økonomi. I 2013, statens ahornindustri "bidrog med mellem $ 317 og $ 330 millioner i salg til staten Vermont, "ifølge en undersøgelse fra 2015. Vermont tegner sig for anslået 42% af al amerikansk ahornproduktion.

Vermont tester hydrometre fremstillet i forskellige stater såvel som i udlandet. NISTs engagement begyndte, efter at en producent sendte et SAP -hydrometer til AAF &M til kalibrering. Agenturet testede instrumentet og vurderede, at det læste ud af tolerance sammenlignet med Vermonts referencestandard. Producenten var uenig. Begge fester, uafhængigt, vendte sig til NIST.

"Vi serverede, træde i kræft, som voldgiftsmand, "siger John Wright, Projektleder for flowmålinger i NIST's Physical Measurement Laboratory. Fabrikanten sendte sit hydrometer til NIST; AAFM sendte et referencestandardhydrometer. Begge var baseret på Brix -skalaen, som har været brugt i to århundreder til at måle sukkerindholdet i vandopløsninger. Det bruges i vinen, sodavand, Juice, og beslægtede industrier. Men ikke, det viser sig, af typiske kunder i Fluid Metrology Group.

"Jeg har været på NIST i 17 år, "siger gruppemedlem Sherry Sheckels, "og jeg havde aldrig set et Brix -hydrometer." Heller ikke Wright. Der var heller ikke megen hjælp i den videnskabelige litteratur. Sand, der var kanoniske borde - sammensat af NISTs forgænger, National Bureau of Standards - fra 1924 for tætheden af ​​opløsninger af rørsukker ved 20 ° C (68 ° F), men ved ingen anden temperatur.

Imidlertid, ahornindustrien bruger 3,33 ° C (38 ° F) som referencetemperatur. "Referencetemperaturen for SAP -hydrometre er unik for hydrometri og for ahornindustrien, "siger Marc Paquette fra AAF &M. Agenturet havde forsøgt at finde et laboratorium, der kunne kalibrere sit Brix -safthydrometer, men ingen kunne gøre det.

"Et af problemerne var referencetemperaturen, "Paquette siger." De fleste hydrometre er kalibreret ved en referencetemperatur på 60 ° F eller 68 ° F (20 ° C). Men ahornsaft opsamles i det tidlige forår, når temperaturen er lav, ofte lidt over frysepunktet. Vi kunne ikke finde et laboratorium, der var i stand til at justere for ændringen i referencetemperaturen. "

Temperatur er en nøglefaktor, fordi termisk ekspansion eller kontraktion påvirker både væskens densitet og hydrometerets dimensioner. Disse effekter skal redegøres for, det samme gør de kræfter, der udøves på hydrometerstammen af ​​væskens overfladespænding og det faktum, at hydrometeret har en lille, men betydelig opdrift i luft.

NIST bruger Cuckows metode til at kalibrere hydrometre, måling af vægten af ​​kundens hydrometer, en gang i luften og igen, når den er suspenderet ved stilkskalaens mærke af interesse i en væske med velkendt densitet. Imidlertid, det er nødvendigt at relatere densiteten målt i NIST's apparat nær 20 ° C til densiteten på Brix -skalaen ved referencetemperaturen på 3,33 ° C.

For at oprette NIST-Brix-forbindelsen, Wright og Sheckels fremstillede sukkeropløsninger på 3% og 6% saccharose (med usikkerhed mindre end 0,001 vægtprocent) og målte deres tæthed ned til 3,33 ° C. Deres data bekræftede offentliggjorte tæthedstabeller til inden for 50 dele pr. Million. For yderligere at validere NIST -kalibreringsresultaterne, kundernes hydrometre blev også testet (med NIST -korrektionerne) i de nedkølede 3% og 6% saccharoseopløsninger. Disse test bekræftede Cuckows apparatkalibrering.

"Vi kalibrerede disse to hydrometre og viste, at den reference, Vermont brugte, var korrekt, "Wright siger." Og vi forklarede producenten, hvordan vi korrekt skal tage højde for referenstemperaturen på 3,33 ° C. Efter at have fundet ud af, hvad en korrekt kalibrering krævede, vi uddannede vores kunder. "

Hverken producenter af Paquette eller hydrometer kendte NIST's testmetoder. Men "de lavede en udtømmende test af instrumentet, herunder et imponerende usikkerhedsbudget, "Paquette siger." Det gav os også mulighed for at gennemgå vores testproces og indarbejde standarden i den proces. "

Virkningerne vil mærkes ud over staten Vermont og en producent:Paquettes laboratorium har tolerancetestede hydrometre til leverandører af ahornudstyr i New Hampshire, Pennsylvania, New York, Wisconsin, Indiana, Connecticut, og Michigan. Således udnyttes en enkelt NIST -hydrometerkalibrering med næsten 10, 000 ahorn SAP -hydrometer test om året udført af statslaboratorier, sikre rimelig handel og kvalitetsprodukter for en industri på 700 millioner dollars om året.