Al NIST viene spesso chiesto di fornire informazioni insolite, a volte decisamente esotico, misurazioni e calibrazioni a supporto del commercio statunitense. Ma anche i veterani del Fluid Metrology Group sono rimasti sorpresi lo scorso autunno quando sono stati chiamati in una disputa sulle metriche della linfa d'acero.

In discussione era l'accuratezza degli idrometri - strumenti che misurano la densità dei liquidi - utilizzati nella leggendaria industria dei prodotti d'acero del Vermont per determinare il contenuto di zucchero della linfa estratta dagli alberi ogni primavera e poi fatta bollire per fare lo sciroppo d'acero. Tutti gli idrometri utilizzati nell'industria devono essere ispezionati e approvati dallo stato. Tra il 2012 e il 2016, l'Agenzia dell'Agricoltura del Vermont, Testato Food &Markets (AAF&M) 39, 241 di loro.

Le misurazioni dello zucchero della linfa sono di fondamentale importanza per l'azienda. Ci vogliono circa 43 galloni di linfa contenente il 2% di saccarosio per fare un gallone di sciroppo d'acero, ma solo circa 22 galloni per linfa con un contenuto di zucchero del 4%. Quindi anche una piccola discrepanza può avere un impatto significativo sul valore della linfa e sulle ricette seguite dai produttori di sciroppi e altri prodotti a base di acero. I prodotti in acero sono una componente importante dell'economia del Vermont. Nel 2013, l'industria dell'acero dello stato "ha contribuito tra $ 317 e $ 330 milioni di vendite allo stato del Vermont, " secondo uno studio del 2015. Si stima che il Vermont rappresenti il ​​42% di tutta la produzione di prodotti in acero negli Stati Uniti.

Vermont testa densimetri realizzati in vari stati e paesi stranieri. Il coinvolgimento del NIST è iniziato dopo che un produttore ha inviato un idrometro alla linfa all'AAF&M per la calibrazione. L'agenzia ha testato lo strumento e ha giudicato che stava leggendo fuori tolleranza rispetto allo standard di riferimento del Vermont. Il produttore non era d'accordo. Entrambe le parti, indipendentemente, rivolto al NIST.

"Abbiamo servito, in effetti, come arbitro, "dice John Wright, Project Leader per le misurazioni del flusso nel Laboratorio di Misurazione Fisica del NIST. Il produttore ha inviato il suo idrometro al NIST; AAFM ha inviato un densimetro standard di riferimento. Entrambi erano basati sulla scala Brix, che è stato utilizzato per due secoli per misurare il contenuto di zucchero delle soluzioni acquose. Si usa nel vino, bibita analcolica, succo, e industrie collegate. Ma no, come risulta, da clienti tipici del Fluid Metrology Group.

"Sono al NIST da 17 anni, " dice il membro del gruppo Sherry Sheckels, "e non avevo mai visto un idrometro Brix." Nemmeno Wright. Né c'era molto aiuto nella letteratura scientifica. Vero, c'erano tabelle canoniche — compilate dal predecessore del NIST, il National Bureau of Standards, risalente al 1924 per la densità delle soluzioni di zucchero di canna a 20 °C (68 °F), ma a nessun'altra temperatura.

Però, l'industria dell'acero usa 3,33 °C (38 °F) come temperatura di riferimento. "La temperatura di riferimento per gli idrometri a linfa è unica per l'idrometria e per l'industria dell'acero, " dice Marc Paquette di AAF&M. L'agenzia aveva cercato di trovare un laboratorio in grado di calibrare il suo idrometro Brix sap, ma nessuno potrebbe farlo.

"Uno dei problemi era la temperatura di riferimento, " Paquette dice. "La maggior parte degli idrometri sono calibrati a una temperatura di riferimento di 60 ° F o 68 ° F (20 ° C). Ma la linfa d'acero viene raccolta all'inizio della primavera quando le temperature sono basse, spesso leggermente sopra lo zero. Non siamo riusciti a trovare un laboratorio in grado di adattarsi al cambiamento della temperatura di riferimento".

La temperatura è un fattore chiave perché l'espansione o la contrazione termica influenza sia la densità del fluido che le dimensioni dell'idrometro. Tali effetti devono essere contabilizzati, così come le forze esercitate sullo stelo dell'idrometro dalla tensione superficiale del fluido e dal fatto che l'idrometro ha un piccolo ma significativo assetto in aria.

Il NIST utilizza il metodo di Cuckow per calibrare gli idrometri, misurare il peso dell'idrometro del cliente, una volta in aria e di nuovo quando è sospeso al segno della scala dello stelo di interesse in un liquido di densità ben nota. Però, è necessario mettere in relazione la densità misurata nell'apparato del NIST vicino a 20 °C con la densità sulla scala Brix alla temperatura di riferimento di 3,33 °C.

Per effettuare la connessione NIST-Brix, Wright e Sheckels prepararono soluzioni zuccherine al 3% e al 6% di saccarosio (con incertezza inferiore allo 0,001% in peso) e ne misurarono la densità fino a 3,33 °C. I loro dati hanno confermato le tabelle di densità pubblicate entro 50 parti per milione. Per convalidare ulteriormente i risultati della calibrazione NIST, sono stati testati anche gli idrometri dei clienti (con le correzioni NIST) nelle soluzioni refrigerate di saccarosio al 3% e al 6%. Questi test hanno confermato la calibrazione dell'apparato di Cuckow.

"Abbiamo calibrato questi due idrometri e abbiamo dimostrato che il riferimento utilizzato dal Vermont era corretto, " dice Wright. "E abbiamo spiegato al produttore come contabilizzare correttamente la temperatura di riferimento di 3,33 °C. Dopo aver stabilito cosa richiede una corretta calibrazione, abbiamo educato i nostri clienti."

Né Paquette né i produttori di densimetri avevano familiarità con i metodi di prova del NIST. Ma "hanno fatto un test esaustivo dello strumento compreso un impressionante budget di incertezza, " Dice Paquette. "Ci ha anche dato l'opportunità di rivedere il nostro processo di test e incorporare lo standard in quel processo".

Gli effetti si faranno sentire al di là dello stato del Vermont e di un produttore:il laboratorio di Paquette dispone di idrometri con test di tolleranza per i fornitori di apparecchiature in acero nel New Hampshire, Pennsylvania, New York, Wisconsin, Indiana, Connecticut, e Michigan. Quindi una singola calibrazione dell'idrometro NIST viene sfruttata di quasi 10, 000 test idrometro alla linfa d'acero all'anno eseguiti da laboratori statali, garantire un commercio equo e prodotti di qualità per un'industria da 700 milioni di dollari all'anno.