BR112020009889A2

BR112020009889A2 - acionador e controlador de transdutor acústico

Info

Publication number: BR112020009889A2
Application number: BR112020009889-2A
Authority: BR
Inventors: Bart Lipkens; Ronald Musiak; John Artis
Original assignee: Flodesign Sonics, Inc.
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-11-03
Also published as: US20200359136A1; JP2021507561A; KR20220066413A; EP3725092A1; US20190191252A1; CN111480345B; KR20200089334A; US10785574B2; CN114900773A; AU2018385759B2; CA3085784A1; WO2019118921A1; EP3725092A4; US11381922B2; IL274333A; SG11202003907WA; CN111480345A; KR102439221B1; AU2018385759A1

Abstract

Um sistema acustoforético é controlado e acionado para atingir um nível desejado de desempenho. Um controlador de RF e um acionador proporcionam uma frequência e potência a um transdutor acústico, que pode ser implementado como um elemento piezelétrico, que apresenta uma carga reativa ou uma carga complexa. Um controlador implementa uma técnica de controle para a operação eficiente do transdutor. A técnica de controle pode localizar uma frequência para a operação que está em um mínimo ou máximo de reatância para o sistema, para produzir um padrão modal e proporcionar uma operação eficiente do transdutor. Um método de detectar uma reatância mínima ou máxima em um sistema acustoforético usado para capturar, separar, desviar, agrupar, fracionar ou então processar partículas ou fluidos secundários ou fluidos terciários em um fluido primário e utilizando a frequência da reatância detectada para operar o sistema acustoforético.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ACIO- NADOR E CONTROLADOR DE TRANSDUTOR ACÚSTICO".

ANTECEDENTES

[0001] A acustoforese é o uso de acústica para realizar a separa- ção de materiais. Por exemplo, partículas e fluidos secundários podem ser separados de um fluido primário ou hospedeiro usando ondas es- tacionárias acústicas. As ondas estacionárias acústicas podem exercer forças sobre as partículas em um fluido quando houver um diferencial na densidade e/ou na compressibilidade, também conhecido como o fator de contraste acústico. O perfil de pressão em uma onda estacio- nária contém áreas de amplitudes de pressões mínimas locais nos no- dos das ondas estacionárias e máximos locais nos antinodos das on- das estacionárias. Dependendo de sua densidade e compressibilida- de, as partículas podem ser capturadas nos nodos ou antinodos da onda estacionária. Em geral, quanto maior a frequência da onda esta- cionária, menores são as partículas que podem ser capturadas.

[0002] Em uma escala micro, por exemplo, com dimensões de es- trutura da ordem de micrômetros, os sistemas de acustoforese con- vencionais tendem a usar câmaras acústicas de metade ou um quarto do comprimento de onda, que nas frequências de alguns megahertz têm tipicamente menos que um milímetro de espessura e operam em vazões muito lentas (por exemplo, uL/min). Esses sistemas não são escalonáveis, pois se beneficiam do número Reynolds extremamente baixo, da operação de fluxo laminar e da otimização dinâmica mínima do fluido.

[0003] Na macroescala, as ondas estacionárias acústicas planas têm sido usadas em processos de separação. No entanto, uma única onda plana tende a aprisionar as partículas ou o fluido secundário, de modo tal que a separação do fluido primário seja atingida desligando ou removendo a onda estacionária plana. A remoção da onda estacio-

nária plana pode dificultar a operação contínua. Além disso, a quanti- dade de potência que é usada para gerar a onda estacionária acústica plana tende a aquecer o fluido primário através da potência desperdi- çada, o que pode ser desvantajoso para o material que está sendo processado.

RESUMO

[0004] Uma fonte elétrica, que pode incluir um oscilador e um am- plificador, pode ser utilizada para perturbar um material piezelétrico que pode ser utilizado para gerar ondas acústicas. Quando um refletor for utilizado em combinação com o material piezelétrico, as ondas acústicas que são geradas podem ser refletidas de volta para o mate- rial piezelétrico, para formar uma onda estacionária acústica. A onda estacionária acústica é compreendida de nodos e antinodos que per- mitem diferenciais de pressão nos meios onde a onda estacionária acústica for gerada.

[0005] O ajuste fino da perturbação do material piezelétrico e da reação com a onda refletida na onda estacionária acústica pode me- lhorar a utilização dos nodos e antinodos na onda estacionária acústi- ca. A onda estacionária acústica pode ser usada para processar mate- riais e fluidos dentro de um fluido primário.

[0006] É proporcionado um sistema de controle que pode respon- der às propriedades da onda estacionária acústica. O sistema de con- trole pode regular a onda estacionária acústica para obter a captura, a separação, a segregação, a caracterização, a deflexão e a categoriza- ção, entre outros processos, de partículas e fluidos secundários dentro de um fluido primário. Os resultados da aplicação da acustoforese uti- lizando o sistema de controle são aplicáveis na terapia celular e gêni- ca, bem como nas técnicas de clarificação. As aplicações disponíveis são inúmeras e podem ser usadas em campos que incluem potência (petróleo, gás, biocombustíveis), biofarma (por exemplo, fabricação de produtos terapêuticos), indústrias de alimentos, bioagricultura, entre outros.

[0007] Em uma implementação de exemplo, um controle eletrônico é operado de acordo com um esquema de controle para acionar a ele- trônica que perturba um material piezelétrico de maneira a formar uma onda estacionária acústica entre o material piezelétrico e um refletor. À onda estacionária acústica pode ser formada através do uso de um único material piezelétrico que perturba um material secundário, de modo tal que ele forme uma onda estacionária acústica dentro do ma- terial secundário e quaisquer canais que estejam dentro do material secundário.

[0008] As ondas estacionárias acústicas podem ser utilizadas para capturar, desviar, separar e/ou segregar partículas e/ou fluidos secun- dários que estejam em um fluido primário. Tipicamente, a onda estaci- onária acústica é ajustada em certa frequência que permite a captura de partículas ou fluidos secundários específicos. À medida que a onda estacionária acústica captura as partículas e/ou os fluidos secundários, as características físicas da onda estacionária acústica mudam e o controle usado para acionar o material piezelétrico é operado para compensar as alterações. A compensação das alterações na onda es- tacionária acústica a uma frequência de, por exemplo, 2 MHz, utiliza uma realimentação rápida e adequada das propriedades físicas da on- da estacionária acústica, como vista pelo material piezelétrico, de mo- do tal que o sistema de controle responda às alterações na onda esta- cionária acústica. A velocidade da realimentação pode ser suficiente para reduzir ou eliminar a descontinuidade na resposta às alterações físicas que estão acontecendo dentro da onda estacionária acústica. Essa velocidade da realimentação e do circuito fechado geral evita o recebimento de informações incorretas para a compensação das alte- rações físicas que estão ocorrendo na onda estacionária acústica.

[0009] A separação de materiais com o uso de uma onda estacio- nária acústica é um processo chamado acustoforese. O ajuste da onda estacionária acústica para melhorar ou otimizar a separação das partí- culas ou do fluido secundário ou do fluido terciário em um fluido primá- rio contribui para melhorar a eficiência do processo de acustoforese e/ou reduzir ou minimizar a entrada de potência no sistema de ondas estacionárias acústicas.

[00010] Um processo de rastreamento da reatância do material pie- zelétrico pode ser usado para controlar a onda estacionária acústica à medida que ela coleta partículas ou fluidos secundários ou fluidos ter- ciários nos nodos e/ou antinodos de pressão da onda estacionária acústica. A coleta dos materiais depende do tamanho e do fator de contraste acústico das partículas ou dos fluidos secundários ou dos fluidos terciários para a partícula primária. O rastreamento da reatân- cia permite que a onda estacionária acústica seja controlada para me- lhorar ou otimizar a eficiência da coleta de materiais, além de permitir ajustes rápidos no controle em resposta a vários fatores, incluindo a quantidade de material que é retido na onda estacionária acústica.

[00011] A onda estacionária acústica pode ser uma onda plana úni- ca, uma onda estacionária acústica multidimensional ou uma combina- ção de ambas. O material piezelétrico pode ser acionado para obter modos de frequência sobrepostos ou superpostos um sobre o outro.

[00012] A descoberta do ponto mínimo de reatância, conhecido co- mo Xmín, é realizada através de uma série de varreduras rápidas de frequência do sinal de acionamento aplicado ao material piezelétrico para detectar e corrigir alterações na resistência e na reatância duran- te a operação. A reatância mínima Xmín, ou frequências relacionadas à Xmín, pode ser usada como um ponto de ajuste operacional para procurar otimizar o desempenho.

[00013] São discutidos neste documento sistemas e métodos para acustoforese para gerar campos de força de radiação acústica melho- rados ou otimizados, para melhorar a eficiência de separação e/ou co- leta.

[00014] O controle do transdutor acústico pode ser implementado de acordo com os pontos de ajuste de potência. Por exemplo, um usu- ário pode definir um nível de potência desejado para a potência libera- da para o transdutor. O desempenho da acustoforese em uma câmara acústica usando o transdutor acústico pode ser modulado de acordo com a potência de entrada modulada para o transdutor acústico. Em alguns casos, um ponto de ajuste de potência é desejado para a ope- ração, enquanto outros parâmetros, como a frequência, por exemplo, são modificados. O ponto de ajuste de potência determina a saída de potência de uma fonte de alimentação de RF ou amplificador de po- tência. Um controle de potência é proporcionado para manter o ponto de ajuste de potência, enquanto outros parâmetros associados à ope- ração do dispositivo de acustoforese são variados. O controle de po- tência detecta os sinais proporcionados ao transdutor acústico, como, por exemplo, tensão e corrente. Esses sinais de realimentação são usados para determinar a frequência e o ângulo de fase para a potên- cia liberada para o transdutor. Em alguns exemplos, um conversor buck é usado como uma fonte de alimentação. O conversor buck pos- sui uma largura de banda de resposta, a qual pode influenciar a res- posta rápida do controle de potência. Por exemplo, se a largura de banda do conversor buck for relativamente estreita, a resposta do sis- tema para o controle de potência pode ser relativamente lenta para o ambiente de desempenho operacional desejado para o dispositivo de acustoforese. O sistema pode ser controlado de maneira semelhante usando: potência aparente, potência reativa, valor eficaz da tensão, valor eficaz da corrente. O sistema também pode ser acionado com uma tensão constante do buck.

[00015] Diversos materiais diferentes em uma faixa de concentra- ções podem ser processados através do dispositivo de acustoforese, cada um dos quais pode proporcionar características de carga diferen- tes sobre o transdutor acústico e a câmara acústica. A fonte de alimen- tação, assim, pode estar sujeita a uma ampla gama de cargas, o que pode colocar exigências sobre a fonte de alimentação que sejam desa- fiadoras de atender. Por exemplo, uma carga pesada do transdutor acústico e/ou da câmara acústica, experimentada com certos tipos de materiais e/ou concentrações que estejam sendo processados, pode fazer com que os componentes da fonte de alimentação sejam sobre- carregados e/ou superaquecimentos, ou fazer com que os limites do ponto de deslocamento sejam atingidos ou excedidos. Os cruzamen- tos de carga pesada ou limite de ponto de deslocamento podem fazer com que sejam identificadas falhas no controle de potência, fazendo com que a fonte de alimentação e/ou o sinal de acionamento sejam desligados. Além disso, as exigências de potência sobre a fonte de alimentação podem mudar significativamente com as alterações em outros parâmetros operacionais, como temperatura, frequência ou ca- racterísticas da carga, incluindo a reatância. O controle da potência com base nos níveis de potência desejados pode, assim, envolver ou- tros pontos de ajuste operacionais, como a frequência, para controlar a operação da fonte de alimentação e do dispositivo de acustoforese pa- ra lidar com uma gama de cargas.

[00016] Em algumas implementações, um amplificador linear de RF é usado para suprir potência ao transdutor. O amplificador linear pode operar recebendo um sinal de entrada, que pode ser CA ou CC, e am- plificando o sinal de entrada de acordo com as características operaci- onais do amplificador linear. Os amplificadores lineares são tipicamen- te projetados para ter uma resposta linear, de modo tal que qualquer sinal de entrada seja amplificado pelo mesmo ganho, dentro dos pa-

râmetros ou das especificações operacionais do amplificador linear. Esta operação linear pode ser atingida através do uso de técnicas que contribuem para linearizar a resposta do amplificador linear, potenci- almente em áreas onde as condições não ideais tendam a impor não linearidades à resposta. No entanto, a operação linear é atingida ao custo da regulação da potência, normalmente gerando perdas signifi- cativas de calor, bem como incorrendo em operação ineficiente. Por conseguinte, os amplificadores lineares tendem a consumir quantida- des significativas de potência, mesmo quando a magnitude do sinal de entrada for relativamente pequena e/ou quando o ganho for relativa- mente pequeno. Quando exigências forem colocadas sobre o amplifi- cador linear para suprir potência em resposta a condições do sistema que se alteram, como a frequência ou a carga, são apresentados de- safios em termos de resposta rápida e evitação de sobrecargas.

[00017] Além disso, os amplificadores lineares são projetados para aplicações nominais, por exemplo, onde for especificada uma resis- tência de 50 ohm. Pretende-se, assim, que a carga aplicada ao ampli- ficador linear seja composta principalmente de impedância ou resis- tência real e tolere uma quantidade relativamente pequena de impe- dância reativa. No caso de proporcionar potência a um transdutor acústico que seja composto de um material piezelétrico, a fonte de alimentação vê uma carga altamente reativa, o que limita a utilidade de um amplificador linear de RF como a fonte de alimentação.

[00018] O sistema de câmara de PZT apresenta a uma fonte de si- nal eletrônico (acionador) uma série de impedâncias elétricas do ponto de acionamento, de puramente reais a puramente reativas e qualquer outra coisa com base nas condições operacionais desse sistema. Os processos de controle na câmara acústica com base na impedância do ponto de acionamento apresentada ao acionador pelo sistema também fazem parte desta modalidade. Os diferentes processos apresentam diferentes impedâncias do ponto de acionamento.

[00019] O material piezelétrico pode ser acionado com uma fonte de corrente ou uma fonte de tensão. A fonte de corrente pode permitir maior liberdade eletromecânica no suporte e sustentação dos modos vibratórios desejáveis no material piezelétrico. Um esquema de acio- namento e controle pode ser proporcionado para gerar um sinal har- mônico baixo no material piezelétrico. O controle do transdutor acústi- co que gera a onda estacionária acústica no meio fluido pode utilizar um laço de realimentação e um processador computacional. Uma con- figuração de circuito indutivo - capacitivo - indutivo (LCL) pode ser usada para gerar uma onda de função harmônica baixa, como uma onda senoidal, no material piezelétrico. A onda senoidal harmônica baixa permite menos vibrações parasitas do material piezelétrico. Essa onda senoidal também pode permitir que o material piezelétrico gere menos calor quando vibrar.

[00020] “Uma configuração LCL pode atuar no sinal do amplificador como um filtro para reduzir o conteúdo harmônico da saída do amplifi- cador. O LCL pode assim atuar, pelo menos em parte, como um filtro de baixa passagem para a saída do amplificador. Em alguns exem- plos, o LCL pode fazer com que a saída do amplificador seja filtrada para uma forma de onda senoidal pura. Como resultado, a perturbação do material piezelétrico não gera vibrações parasitas extras do materi- al. O indutor de saída da estrutura LCL proporciona um acionamento da fonte de corrente para o material piezelétrico. A entrada do LCL e, desse modo, a fonte de corrente, é controlada para melhorar o de- sempenho do material piezelétrico na geração de uma onda acústica.

[00021] O transdutor acústico pode ser acionado para criar uma on- da estacionária acústica multidimensional em um meio acoplado, onde a onda tem pelo menos forças acústicas diferentes de zero em uma direção transversal à direção de propagação da onda. O processo de geração de ondas estacionárias acústicas multidimensionais tira pro- veito dos modos vibratórios de ordem superior de uma placa piezelé- trica livremente suspensa.

[00022] O material piezelétrico muda de forma com base em um si- nal elétrico aplicado a ele, como um sinal de tensão ou corrente, ou com base em um campo elétrico correspondente que permeia o mate- rial. O campo elétrico das cargas externas afeta os campos das cargas ligadas no material e, assim, afeta a forma do material. O sinal elétrico pode ser de uma fonte de tensão. Nesse caso, a quantidade de defor- mação do material está relacionada à tensão aplicada. Por exemplo, a deformação pode ser por 'tensão fixada' ou 'tensão amortecida'. À quantidade de carga induzida está relacionada à tensão aplicada e às propriedades do material. Essa relação pode ser expressa matemati- camente como Q = C*V, onde Q é a carga, C é a capacitância do ma- terial e V é a tensão do sinal aplicado. Eletrodos podem ser conecta- dos ao material piezelétrico para proporcionar um conduíte para o sinal aplicado. Nesse caso, a tensão e o campo elétrico correspondente são funções das cargas aplicadas externamente. Usando a equação aci- ma, a tensão pode ser expressa como V = Q/C. A tensão resultante pode ser 'irrestrita' em relação à operação do dispositivo piezelétrico. À 'C' do dispositivo piezelétrico é devido à sua geometria física e propri- edades do material. Uma vez que o material muda de forma como uma função do campo elétrico que o permeia, a 'C' do dispositivo é uma função do campo elétrico que o permeia. Para uma dada Q, e acio- nando o material com uma fonte de corrente que é uma fonte de carga variável no tempo, C se altera como uma função do campo elétrico, que altera a tensão através do dispositivo para 'se adaptar' à C altera- da. Em um sistema acionado por tensão, o campo elétrico pode de- terminar a quantidade de carga, que pode determinar o grau de defor- mação e, correspondentemente, a quantidade de alteração em C. Para promover o comportamento multimodo no material piezelétrico, o ma- terial piezelétrico pode ser configurado para ser "flutuante livre' e, em alguns exemplos, é feito para ser o mais flutuante livre possível, no sentido tanto mecânico quanto elétrico.

[00023] Os fatores de amortecimento do sistema acústico incluem um fluido Q e um cristal Q. Por exemplo, se um fluido for viscoso, o Q é menos. Durante a operação, à medida que o agrupamento de partí- culas aumenta, o amortecimento aumenta, pois há mais material na onda acústica. Xmín v. Q mostra mudança na temperatura, variações rápidas no amortecimento à medida que ocorre agrupamento, precipi- tação. Ser capaz de rastrear a mudança e as variações rápidas em Q em tempo real permite uma melhora significativa no desempenho.

[00024] O circuito LCL pode ser implementado como uma rede de equiparação de impedâncias que pode amplificar a corrente ou a ten- são, dependendo do valor da impedância que está sendo equiparada. Uma técnica de implementação da operação é amplificar a tensão. Nesse caso, a potência pode ser transmitida através do LCL, com pouca perda de potência, com o uso de indutores (L) e capacitores (C) de baixa perda.

[00025] As frequências harmônicas são reduzidas ou eliminadas devido ao arranjo dos elementos utilizados no circuito e independente de se há ou não amplificação da tensão. O arranjo do circuito pode ser implementado como um filtro de baixa passagem. Os filtros de baixa passagem permitem que os sinais abaixo de uma determinada fre- quência, chamada a frequência de corte, passem pelo filtro enquanto bloqueiam os sinais com frequências acima da frequência de corte. Uma entrada de onda quadrada em uma rede produz uma saída de onda senoidal quando os harmônicos da onda quadrada estiverem em frequências acima da frequência de corte do filtro.

[00026] Em algumas implementações de exemplo, uma onda esta-

cionária acústica multidimensional é utilizada para capturar células bio- lógicas e resíduos celulares de um processo de biorreator, a reatância do ressonador muda. Os sinais de realimentação de controle podem ser obtidos detectando a tensão e a corrente da linha de transmissão de RF no elemento piezelétrico. Esses sinais de realimentação podem ser usados para sintonizar o ressonador até um ponto de operação desejado, por exemplo, para tentar otimizar o processo de acustofore- se. A reatância e a potência podem ser extraídas dos sinais de tensão e corrente sobre o elemento piezelétrico. Por exemplo, os sinais de tensão e corrente podem ser proporcionados a um processador de si- nal digital (DSP), que pode ser usado para calcular a reatância e a po- tência de RF. Os parâmetros de operação medidos e calculados para o elemento piezelétrico podem ser usados para proporcionar realimen- tação para o processo de sintonização. Este processo de sintonização pode consistir em ajustar o ganho do amplificador para obter a potên- cia desejada que é proporcionada ao elemento piezelétrico e/ou ajus- tar a frequência do sinal de acionamento para obter a reatância dese- jada do ressonador, como exemplos.

[00027] A onda estacionária acústica multidimensional é gerada através de uma perturbação multimodo do material piezelétrico por si- nal eletrônico gerado por um gerador ou oscilador de função e modifi- cado por um amplificador. A geração da onda estacionária acústica multidimensional e a perturbação multimodo do material piezelétrico são descritas na Patente US 9.228.183, que é incorporada neste do- cumento por referência.

[00028] É proporcionado um controle, o qual pode ser um controle digital ou analógico, que pode receber entradas realimentadas do transdutor acústico ou de outros componentes do sistema e proporcio- nar sinais de controle para vários componentes do sistema acústico. O controle pode proporcionar sinais de controle para variar a saída de

CC de um acionador e/ou modificar e controlar a amplitude da potên- cia do sinal de acionamento do transdutor acústico. Os sinais de con- trole proporcionados pelo controle podem variar a operação do acio- nador para modificar e controlar a frequência do sinal de acionamento. O acionador de potência de RF com o controle permite o controle e a modulação do transdutor acústico como uma carga altamente reativa, ao mesmo tempo mantendo o desempenho desejado do transdutor e da câmara acústica.

[00029] O conversor CC-CC pode ser um conversor buck, buck- boost ou boost, como exemplos, embora qualquer tipo de conversor CC-CC possa ser usado. O conversor CC-CC pode ser acoplado a, e suprir um inversor com, um filtro. O filtro pode ser implementado como um filtro LC ou LCL, com uma largura de faixa que permita que a saída do filtro, como a tensão de saída, responda às alterações dinâmicas do transdutor e/ou da cavidade acústica.

[00030] Uma técnica de controle proporciona um sistema e um mé- todo para localizar os pontos de operação desejados para uma combi- nação de transdutor acústico-cavidade, com ou sem carga, carga essa que pode ser altamente reativa. A realimentação do transdutor acústi- co pode ser usada para localizar as frequências de ressonância e an- tirressonância da operação do transdutor. De acordo com algumas im- plementações, uma frequência operacional menor que a antirresso- nância do transdutor é inspecionada quanto à reatância mínima como um ponto de operação. Algumas implementações localizam uma fre- quência acima da frequência de antirressonância, frequência essa que é inspecionada quanto à reatância máxima como um ponto de opera- ção. De acordo com essas implementações, pode ser obtido um nível desejado de eficiência para a acustoforese em pontos de operação designados. Os pontos de operação que são determinados de acordo com uma técnica de controle discutida neste documento podem ser pontos de ajuste da frequência, que podem ser mantidos dinamica- mente. Por exemplo, um ponto de operação desejado pode mudar à medida que a operação ou as características da câmara acústica vari- am. Tais características podem incluir um grau de deflexão e/ou sepa- ração do material, temperatura, potência liberada para o transdutor e outros fenômenos que podem influenciar ou modificar um ponto de operação desejado.

BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

[00031] A descrição é descrita em mais detalhes abaixo, com refe- rência aos desenhos anexos, nos quais:

[00032] Figura 1 é um diagrama que mostra uma câmara acústica e as conexões a ela para a clarificação celular;

[00033] Figura 2 é um diagrama que ilustra a acustoforese com um transdutor e refletor acústicos;

[00034] Figura 3 é uma vista lateral em corte transversal de um transdutor acústico;

[00035] Figura 4 é uma vista lateral em corte transversal de um transdutor acústico com um elemento piezelétrico livre;

[00036] Figura 5 é uma vista em corte transversal de um transdutor acústico com um elemento piezelétrico amortecido;

[00037] Figura 6 é um gráfico que ilustra a força aplicada a uma partícula em um fluido;

[00038] Figura 7 é um gráfico que ilustra a impedância de um ele- mento piezelétrico;

[00039] Figura 8A é um diagrama que ilustra diferentes modos vi- bracionais para um transdutor acústico;

[00040] Figura 8B é uma vista isométrica de uma câmara acústica;

[00041] Figura 8C é uma vista em elevação lateral esquerda da câmara acústica na Figura 8B;

[00042] Figura 8D é uma vista em elevação frontal da câmara acús-

tica na Figura 8B;

[00043] Figura 9 é um gráfico que ilustra as respostas de frequên- cias para um transdutor e as frequências com modos dominantes;

[00044] Figura 10 é um fluxograma que ilustra um método para con- trolar um transdutor acústico;

[00045] Figura 11 é um fluxograma que ilustra um método para im- plementar um filtro de baixa passagem otimizado;

[00046] Figura 12 é um gráfico que ilustra uma resposta de fre- quência para um transdutor acústico;

[00047] Figura 13 é um gráfico que ilustra uma resposta de fre- quência para um transdutor acústico;

[00048] Figura 14 é um diagrama de blocos que ilustra uma técnica de controle para um transdutor acústico;

[00049] Figura 15 é um diagrama de blocos que ilustra uma técnica de controle para um transdutor acústico;

[00050] Figura 16 é um diagrama de blocos que ilustra a demodula- ção de um sinal de tensão ou corrente;

[00051] Figura 17 é um fluxograma que ilustra os componentes de uma técnica de controle para uso com um transdutor acústico;

[00052] Figura 18 é um gráfico que ilustra o desempenho de potên- cia, reatância, resistência e pico para um transdutor acústico;

[00053] Figura 19 é um gráfico que ilustra uma curva de resistência versus frequência;

[00054] Figura 20 é um gráfico que ilustra a reatância versus a fre- quência, com vários modos diferentes identificados;

[00055] Figura 21 é um gráfico que ilustra a amplitude de impedân- cia absoluta;

[00056] Figura 22 é um gráfico que ilustra a fase de impedância;

[00057] Figura 23 é um gráfico que ilustra o deslocamento normali- zado pela potência;

[00058] Figura 24 é um gráfico que ilustra a pressão média normali- zada pela potência;

[00059] Figura 25 é um gráfico que ilustra a operação com uma on- da plana na fase zero;

[00060] Figura 26 é um gráfico que ilustra a operação multimodo em reatância mínima;

[00061] Figura 27 é um gráfico que ilustra a resistência, a reatância e a potência efetiva versus a frequência;

[00062] Figura 28 é um gráfico que ilustra a operação multimodo em reatância mínima;

[00063] Figura 29 é uma representação gráfica do rastreamento da resistência, incluindo a Rmáx e uma perda de rastreamento da onda estacionária acústica ao processar um fluido primário e um fluido se- cundário ou particulados através da onda estacionária acústica.

[00064] Figura 30 é uma representação de uma varredura da fre- quência em torno de um mínimo de reatância definido como um novo mínimo de reatância utilizando quatro pontos sobre uma curva na fre- quência de novo mínima de reatância.

[00065] —Figura316é uma representação da interrogação da curva de reatância mínima com uma interrogação de tamanho de duas etapas dos pontos sobre a curva.

[00066] Figura 32 é um pictórico de encontrar dois pontos sobre a curva de reatância para encontrar a Xmín ou a reatância mínima.

[00067] Figura 33 é uma representação de duas curvas de reatân- cia e diferentes modos de rastreamento.

[00068] Figura 34 é um gráfico de uma curva de reatância.

[00069] Figura 35 é um diagrama do sistema de controle.

[00070] Figura 36 é um gráfico de resistência e reatância versus frequência para a varredura da frequência global de cerca de 2,22 MHz até cerca de 2,30 MHz.

[00071] Figura 37 é um gráfico de reatância versus frequência para uma varredura da frequência global de cerca de 2,10 MHz até cerca de 2,30 MHz.

[00072] Figura 38 é um gráfico de reatância versus frequência para uma minivarredura de cerca de 2,18 MHz até cerca de 2,20 MHz.

[00073] Figura 39 é um gráfico de reatância versus frequência para uma técnica de controle.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00074] A Figura 1 é uma visão geral ampla de um sistema de se- parador de ondas acústicas. Uma mistura 10 de um fluido hospedeiro e uma fase secundária (por exemplo, partículas, células ou um segun- do fluido diferente) é enviada por meio de uma bomba 11 para uma câmara acústica 12. Aqui, a mistura é uma mistura de célula-fluido. Na câmara acústica, a fase secundária é concentrada fora do fluido hos- pedeiro. As células concentradas 16 são enviadas por outra bomba 13 para serem coletadas. O fluido hospedeiro, que está mais clarificado devido à remoção das células concentradas, é coletado separadamen- te (indicado pelo número de referência 14). Em geral, a câmara acústi- ca tem pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída.

[00075] A câmara acústica opera como mostrado na Figura 2. Uma ou mais ondas estacionárias acústicas multidimensionais são criadas entre um transdutor ultrassônico 17 e um refletor 18. A onda estacio- nária é ilustrada como começando e terminando com mínimos locais, no entanto, outras implementações são possíveis. Por exemplo, a on- da estacionária pode ser deslocada no transdutor ou no refletor, de modo que os mínimos ou os máximos locais estejam espaçados do transdutor ou do refletor. A onda refletida (ou onda gerada por um transdutor oposto) pode estar dentro ou fora de fase com a onda gera- da pelo transdutor. As características da onda estacionária podem ser modificadas e/ou controladas pelo sinal de acionamento aplicado ao transdutor, como por modificação e/ou controle da fase, da amplitude ou da frequência do sinal de acionamento. Os materiais acusticamente transparentes ou responsivos também podem ser usados com o trans- dutor ou o refletor, para modificar e/ou controlar a onda estacionária.

[00076] À medida que a mistura de fluidos flui através da câmara acústica 12 com o transdutor ultrassônico 17 ativo, as partículas ou o fluido secundário 21 se agrupam, juntam, aglomeram, agregam, acu- mulam ou coalescem nos nodos ou nos antinodos da onda estacioná- ria acústica multidimensional, dependendo do fator de contraste acús- tico das partículas ou do fluido secundário em relação ao fluido hospe- deiro. As partículas formam aglomerados que, no final, saem dos no- dos ou antinodos das ondas secundárias acústicas multidimensionais quando os aglomerados tiverem crescido até um tamanho grande o suficiente para superar a força de conservação da onda estacionária acústica multidimensional (por exemplo, a coalescência ou a aglome- ração supera a as forças de gravidade ou ascensionais). Para os flui- dos/partículas que sejam mais densos do que o fluido hospedeiro (co- mo as células da Figura 1), os aglomerados se depositam no fundo e podem ser coletados separadamente do fluido hospedeiro clarificado. Para os fluidos/partículas que sejam menos densos do que o fluido hospedeiro, os aglomerados flutuantes flutuam para cima e podem ser coletados.

[00077] A dispersão do campo acústico para fora das partículas re- sulta em uma força de radiação acústica tridimensional, que atua como um campo de captura tridimensional. A força de radiação acústica é proporcional ao volume da partícula (por exemplo, o cubo do raio) quando a partícula for pequena em relação ao comprimento de onda. A força é proporcional à frequência e ao fator de contraste acústico. A força ascende com a potência acústica (por exemplo, o quadrado da amplitude da pressão acústica). Quando a força de radiação acústica exercida sobre as partículas for mais forte do que o efeito combinado de força de arrasto e força ascensional e força gravitacional do fluido, as partículas são capturadas dentro do campo da onda estacionária acústica. A captura das partículas em uma onda estacionária acústica multidimensional resulta em agrupamento, concentração, aglomeração e/ou coalescência das partículas capturadas. Assim, os sólidos relati- vamente grandes de um material podem ser separados das partículas menores de um material diferente, de um material igual e/ou do fluido hospedeiro através de uma separação por gravidade/flutuação aumen- tada.

[00078] A onda estacionária multidimensional gera forças de radia- ção acústicas tanto na direção axial (por exemplo, na direção da onda estacionária, entre o transdutor e o refletor, que podem estar em ângu- lo através da direção do fluxo e, em alguns casos, podem ser perpen- diculares à direção do fluxo), quanto na direção lateral (por exemplo, na direção do fluxo ou transversal à direção entre o transdutor e o re- fletor). À medida que a mistura flui através da câmara acústica, as par- tículas em suspensão experimentam um forte componente de força axial na direção da onda estacionária. Uma vez que essa força acústi- ca é através da (por exemplo, perpendicular à) direção do fluxo e da força de arrasto, ela move rapidamente as partículas para pressionar os planos nodais ou os planos antinodais, dependendo do fator de contraste da partícula. A força de radiação acústica lateral atua para mover as partículas concentradas em direção ao centro de cada nodo plano, resultando em agrupamento, aglomeração ou acúmulo. O com- ponente de força de radiação acústica lateral pode superar o arrasto de fluido para tais aglomerados de partículas, para desenvolver conti- nuamente os aglomerados, que podem sair da mistura devido à gravi- dade ou à flutuação. A queda no arrasto por partícula, à medida que o aglomerado de partículas aumenta de tamanho, bem como a queda na força de radiação acústica por partícula, à medida que o aglomerado de partículas cresce de tamanho, podem influenciar separada ou cole- tivamente a operação do dispositivo separador acústico. Na presente descrição, o componente de força lateral e o componente de força axi- al da onda estacionária acústica multidimensional são de ordem de magnitude igual ou diferente. Nesse sentido, observa-se que, em uma onda estacionária acústica multidimensional gerada por um único transdutor, a força axial é mais forte do que a força lateral, mas a força lateral de tal onda estacionária acústica multidimensional é muito mai- or do que a força lateral de uma onda estacionária plana, normalmente por duas ordens de magnitude ou mais.

[00079] Os efeitos das forças de arrasto e de radiação acústica nas partículas podem influenciar a operação ideal dos sistemas e métodos da presente descrição. Em números de Reynolds baixos, de menos que 10, o fluxo laminar domina e as forças viscosas são muito mais fortes que as forças inerciais.

[00080] À medida que as partículas são capturadas pela onda esta- cionária acústica ultrassônica multidimensional, elas começam a se agregar e formar um aglomerado de partículas. O arrasto sobre este aglomerado de partículas é uma função da geometria do aglomerado e não é meramente a soma do arrasto das partículas individuais que constituem o aglomerado.

[00081] Para o fluxo laminar, a equação de Navier Stokes é expres- Sa como: 1 +(7- 9) =—VP+ VV oV onde o representa o movimento variável, (VV) representa o mo- vimento inercial, -VP representa o movimento de pressão e UV re- presenta o movimento viscoso.

[00082] Para números de Reynolds baixos, os termos movimento variável e movimento inercial podem ser ignorados (ou seja, definidos como zero) e a equação pode ser simplificada para: VP=uN*V

[00083] Para uma partícula de diâmetro a, as seguintes equações são válidas:

V vPXUo F=67uaV onde P é a pressão, 4 é a viscosidade dinâmica, a é o diâmetro da partícula, V é a velocidade do fluxo e F é o arrasto de Stoke.

[00084] Antes de discutir uma otimização adicional dos sistemas, é útil proporcionar uma explicação agora de como as ondas estacioná- rias acústicas multidimensionais são geradas. A onda estacionária acústica multidimensional, usada para a coleta de partículas, é obtida acionando um transdutor ultrassônico composto de um material pieze- létrico a uma frequência que gera a onda estacionária acústica e excita um modo de vibração 3D fundamental do transdutor. O transdutor po- de ser composto de vários materiais que podem ser perturbados para gerar uma onda ultrassônica. Por exemplo, o transdutor pode ser composto de um material piezelétrico, incluindo um cristal ou policristal piezelétrico. A perturbação do material piezelétrico, que pode ser um cristal ou policristal piezelétrico, no transdutor ultrassônico, para obter uma resposta multimodo, permite a geração de uma onda estacionária acústica multidimensional. Um material piezelétrico pode ser projetado especificamente para se deformar em uma resposta multimodo, nas frequências projetadas, permitindo a geração de uma onda estacioná- ria acústica multidimensional. A onda estacionária acústica multidi- mensional pode ser gerada com modos distintos do material piezelétri- co, como um modo 3x3 que gera ondas estacionárias acústicas multi- dimensionais. Muitas ondas estacionárias acústicas multidimensionais também podem ser geradas permitindo que o material piezelétrico vi- bre através de muitas formas de modos diferentes. Assim, o material pode ser excitado seletivamente para operar em múltiplos modos, co- mo um modo 0x0 (isto é, um modo de pistão), 1x1, 2x2, 1x3, 3x1, 3x3 e outros modos de ordem superior. O material pode ser operado para circular através de vários modos, em uma sequência ou pulando um ou mais modos, e não necessariamente em uma mesma ordem com cada ciclo. Essa troca ou oscilação do material entre os modos permite que várias formas de ondas multidimensionais, juntamente com uma única forma de modo de pistão, sejam geradas durante um tempo de- signado.

[00085] — Algumas explicações adicionais dos transdutores ultrassô- nicos usados nos dispositivos, sistemas e métodos da presente des- crição podem ser úteis também. A este respeito, os transdutores po- dem ser compostos de um material piezelétrico, como um cristal ou policristal piezelétrico, que pode ser feito de PZT-8 (zirconato titanato de chumbo). Esses cristais podem ter uma dimensão principal da or- dem de 2,54 centímetros (1 polegada) ou mais. A frequência de resso- nância do material piezelétrico pode nominalmente ser cerca de 2 MHz e pode ser operada em uma ou mais frequências. Cada módulo de transdutor ultrassônico pode ter apenas um cristal ou pode ter múlti- plos cristais e cada cristal atua como um transdutor ultrassônico sepa- rado e é controlado por um ou por múltiplos controladores, controlado- res estes que podem incluir amplificadores de sinal. O material pieze- létrico pode ser quadrado, retangular, polígono irregular ou, em geral, de qualquer formato arbitrário. O(s) transdutor(es) é(são) usado(s) pa- ra criar um campo de pressão que gera forças da mesma ordem de magnitude, tanto ortogonais à direção da onda estacionária (lateral), quanto na direção da onda estacionária (axial).

[00086] A Figura3é um diagrama em corte transversal de um transdutor ultrassônico convencional. Este transdutor possui uma pla- ca de desgaste 50 em uma extremidade inferior, camada de epóxi 52, cristal cerâmico 54 (feito de, por exemplo, PZT), uma camada de epóxi 56 e uma camada de suporte 58. Sobre qualquer lado do cristal cerà- mico há um eletrodo: um eletrodo positivo 61 e um eletrodo negativo

63. A camada de epóxi 56 liga a camada de suporte 58 ao cristal 54. Todo o conjunto está contido em um caixa 60 que pode ser feita, por exemplo, de alumínio. Um adaptador elétrico 62 proporciona conexão para os fios passarem através da caixa e se conectarem aos conduto- res (não mostrados) que se ligam ao cristal 54. Tipicamente, as cama- das de suporte são projetadas para acrescentar amortecimento e criar um transdutor de faixa larga com deslocamento uniforme através de uma ampla faixa de frequência e são projetadas para suprimir a exci- tação em modos normais de vibração particulares. As placas de des- gaste normalmente são projetadas como transformadores de impe- dância para melhor corresponder à impedância característica do meio no qual o transdutor irradia.

[00087] A Figura4é uma vista em corte transversal de um transdu- tor ultrassônico 81 de acordo com um exemplo da presente descrição. O transdutor 81 tem a forma de um disco ou uma placa e possui uma caixa de alumínio 82. O cristal piezelétrico é uma massa de cristais cerâmicos perovskita, cada um consistindo em um pequeno íon metá- lico tetravalente, normalmente titânio ou zircônio, em uma treliça de íons metálicos divalentes, maiores, normalmente chumbo ou bário, e íons O2-. Como um exemplo, um cristal de PZT (zirconato titanato de chumbo) 86 define a extremidade inferior do transdutor e é exposto a partir do exterior da caixa. O cristal tem uma superfície interna e uma superfície externa. O cristal é suportado sobre o seu perímetro por uma pequena camada elástica 98, por exemplo, silicone ou material similar, localizada entre o cristal e a caixa. Em outras palavras, ne-

nhuma camada de desgaste está presente. Em modalidades particula- res, o cristal é um polígono irregular, e em outras modalidades é um polígono irregular assimétrico.

[00088] Os parafusos 88 prendem uma placa superior de alumínio 82a da caixa ao corpo 82b da caixa através de roscas. A placa superi- or inclui um conector 84 para alimentar o transdutor. A superfície supe- rior do cristal de PZT 86 está conectada a um eletrodo positivo 90 e a um eletrodo negativo 92, que são separados por um material isolante

94. Os eletrodos podem ser feitos de qualquer material condutor, como a prata ou o níquel. A potência elétrica é proporcionada ao cristal de PZT 86 através dos eletrodos sobre o cristal. Observe que o cristal 86 não possui camada de suporte ou camada de epóxi. Em outras pala- vras, existe um espaço de ar 87 no transdutor entre a placa superior de alumínio 82a e o cristal 86 (isto é, a caixa está vazia). Um suporte mínimo 58 (sobre a superfície interna) e/ou placa de desgaste 50 (so- bre a superfície externa) pode ser proporcionado em algumas modali- dades, como visto na Figura 5.

[00089] A Figura 6 é um gráfico de log-log (eixo y logarítmico, eixo x logarítmico) que mostra a ascensão da força de radiação acústica, da força de arrasto do fluido e da força ascensional com o raio da par- tícula e proporciona uma explicação para a separação de partículas usando as forças de radiação acústicas. A força ascensional é uma força dependente do volume das partículas e, portanto, é insignificante para os tamanhos de partículas da ordem de micra, mas cresce e se torna significativa para os tamanhos de partículas da ordem de cente- nas de micra. A força de arrasto do fluido (força de arrasto de Stokes) ascende linearmente com a velocidade do fluido e, portanto, tipica- mente excede a força ascensional para partículas do tamanho de mi- cra, mas é desprezível para partículas de tamanhos maiores da ordem de centenas de micra. A ascensão da força da radiação acústica é di-

ferente. Quando o tamanho da partícula for pequeno, a equação de Gor'kov é precisa e a força de captura acústica ascende com o volume da partícula. No fim, quando o tamanho da partícula crescer, a força da radiação acústica não mais aumenta com o cubo do raio da partícu- la e desaparece rapidamente em um determinado tamanho crítico da partícula. Para aumentos adicionais do tamanho da partícula, a força da radiação aumenta novamente em magnitude, mas com a fase oposta (não mostrada no gráfico). Esse padrão se repete para tama- nhos das partículas crescentes.

[00090] Inicialmente, quando uma suspensão estiver fluindo através do sistema com partículas principalmente pequenas de tamanho mi- cra, a força de radiação acústica equilibra o efeito combinado de força de arrasto do fluido e força ascensional, para permitir que uma partícu- la seja capturada na onda estacionária. Na Figura 6, essa captura ocorre em um tamanho de partícula rotulado como Rec1. O gráfico então indica que todas as partículas maiores também serão capturadas. Por- tanto, quando as partículas pequenas forem capturadas na onda esta- cionária, ocorre o agrupamento / coalescência / acúmulo / agregação / aglomeração das partículas, resultando em crescimento contínuo do tamanho efetivo da partícula. À medida que as partículas se aglome- ram, o arrasto total sobre o aglomerado é muito menor do que a soma das forças de arrasto sobre as partículas individuais. Em essência, à medida que as partículas se aglomeram, elas se protegem do fluxo de fluido e reduzem o arrasto geral do aglomerado. À medida que o ta- manho do aglomerado de partículas cresce, a força de radiação acús- tica reflete para fora do aglomerado, de modo tal que a força de radia- ção acústica líquida diminui por unidade de volume. As forças laterais acústicas sobre as partículas podem ser maiores do que as forças de arrasto para que os aglomerados permaneçam estacionários e cres- çam de tamanho.

[00091] O crescimento do tamanho da partícula continua até que a força ascensional se torne dominante, o que é indicado por um segun- do tamanho de partícula crítico, Rec2. A força ascensional por unidade de volume do aglomerado permanece constante com o tamanho do aglomerado, uma vez que é uma função da densidade da partícula, da concentração do aglomerado e da constante de gravidade. Portanto, à medida que o tamanho do aglomerado aumenta, a força ascensional sobre o aglomerado aumenta mais rápido do que a força da radiação acústica. No tamanho Rec2, as partículas sobem ou afundam, depen- dendo de sua densidade relativa em relação ao fluido hospedeiro. Nesse tamanho, as forças acústicas são secundárias, as forças de gravidade/ascensionais se tornam dominantes e as partículas natural- mente caem fora ou ascendem do fluido hospedeiro. Algumas partícu- las podem permanecer na onda acústica à medida que os aglomera- dos de outras caem, e as restantes e as novas partículas que entram na câmara acústica com o fluxo de uma mistura de fluidos continuam a se mover para os locais nodais tridimensionais, repetindo o processo de crescimento e de cair fora. Assim, a Figura 6 explica como as pe- quenas partículas podem ser capturadas continuamente em uma onda estacionária, crescem até partículas ou aglomerados maiores e então, no fim, aumentarão ou se depositarão devido à força ascensional/de gravidade aumentada.

[00092] Em alguns exemplos, o tamanho, a forma e a espessura do transdutor podem determinar o deslocamento do transdutor em dife- rentes frequências de excitação. O deslocamento do transdutor com diferentes frequências pode afetar a eficiência de separação das partí- culas. Os deslocamentos modais de ordens superiores podem gerar ondas estacionárias acústicas tridimensionais com gradientes fortes no campo acústico em todas as direções, criando assim fortes forças de radiação acústicas em todas as direções, forças que, por exemplo, po-

dem ser iguais em magnitude, levando a múltiplas linhas de captura, onde o número de linhas de captura se correlaciona com a forma de modo particular do transdutor.

[00093] A Figura7 mostra a amplitude da impedância elétrica me- dida do transdutor como uma função da frequência nas proximidades da ressonância do transdutor de 2,2 MHz. Os mínimos na impedância elétrica do transdutor correspondem às ressonâncias acústicas de uma coluna de água e representam as frequências potenciais para a operação. A modelagem numérica indicou que o perfil de deslocamen- to do transdutor varia significativamente nessas frequências de resso- nâncias acústicas e, pelo que, afeta diretamente a onda estacionária acústica e a força de captura resultante. Como o transdutor opera per- to de sua ressonância de espessura, os deslocamentos das superfí- cies dos eletrodos estão essencialmente fora de fase. O deslocamento típico dos eletrodos do transdutor pode não ser uniforme e varia de acordo com a frequência de excitação. Os padrões de deslocamento do transdutor de ordens superiores resultam em forças de captura mais altas e em múltiplas linhas de captura estáveis para as partículas capturadas.

[00094] Para investigar o efeito do perfil de deslocamento do trans- dutor sobre a força de captura acústica e sobre as eficiências de sepa- ração das partículas, um experimento foi repetido dez vezes, com to- das as condições idênticas, exceto a frequência de excitação. Foram utilizadas como frequências de excitação dez frequências de resso- nâncias acústicas consecutivas, indicadas pelos números nos círculos 1-9 e pela letra A na Figura 7. As condições foram uma duração do experimento de 30 min, uma concentração de óleo de 1000 ppm das gotículas de óleo SAE-30 de aproximadamente 5 micra, uma vazão de 500 ml/min e uma potência aplicada de 20 W.

[00095] — À medida que a emulsão passava pelo transdutor, as linhas de captura das gotículas de óleo eram observadas e caracterizadas. A caracterização envolveu a observação e o padrão do número de linhas de captura através do canal de fluido, como mostrado na Figura 8A, para sete das dez frequências de ressonâncias identificadas na Figura

7.

[00096] A Figura8B mostra uma vista isométrica do sistema no qual os locais das linhas de captura estão sendo determinados. A Fi- gura 8C é uma vista do sistema como ele aparece ao olhar para a en- trada, ao longo da seta 114. A Figura 8D é uma vista do sistema como ele aparece ao olhar diretamente para a parte dianteira do transdutor, ao longo da seta 116.

[00097] Os cristais piezelétricos dos transdutores descritos neste documento podem ser operados em vários modos de resposta alte- rando os parâmetros de acionamento, incluindo a frequência, para ex- citar o cristal. Cada ponto de operação possui um número teoricamen- te infinito de modos de vibração sobrepostos, onde um ou mais modos são dominantes. Na prática, múltiplos modos de vibração estão pre- sentes em pontos de operação arbitrários do transdutor, com alguns modos dominando em um determinado ponto de operação. A Figura 9 apresenta os resultados da COMSOL para a vibração do cristal e as forças de radiação laterais sobre um tamanho de partícula típico. À razão da força de radiação lateral para a axial é plotada versus a fre- quência de operação. Os pontos são marcados sobre a curva onde um modo específico de vibração for dominante. O modo | representa o modo de vibração planar do cristal projetado para gerar uma onda es- tacionária de 2 MHz em uma mistura. O modo Ill representa a opera- ção no modo 3x3 de um cristal 1x1. Esses resultados analíticos mos- tram que o modo 3x3 pode ser dominante com diferentes níveis de força de radiação lateral. Mais especificamente, a operação do sistema de exemplo a uma frequência de 2,283 MHz gera a menor razão de força lateral de cerca de 1,11 para um modo 3x3. Esse ponto de ope- ração gera o maior tamanho de aglomerado e a melhor operação de coleta para o sistema de exemplo. A operação dos dispositivos e dos sistemas descritos neste documento a uma frequência para uma dada configuração, que produz o modo 3D desejado com a menor razão de força lateral, é desejável para obter a separação mais eficiente. Em algumas modalidades, o ponto de operação é qualquer ponto sobre a curva que não seja planar ou ângulo de fase zero. Por exemplo, um ponto de operação pode ser selecionado sobre a curva na Figura 9 onde a onda estacionária acústica seja não planar e/ou onde o ângulo de fase não seja zero.

[00098] “Com referência à Figura 10, um fluxograma é ilustrado para um processo para localizar uma reatância mínima e/ou máxima para o transdutor acústico e/ou a combinação de transdutor/câmara acústica, que pode estar sob carga. A carga pode ser um fluido na câmara acús- tica e/ou particulados ou um fluido secundário que esteja separado do fluido primário ou hospedeiro. À medida que os particulados ou o fluido secundário é separado do fluido primário ou hospedeiro, as caracterís- ticas do fluido na câmara acústica mudam, o que pode impactar a ope- ração do transdutor e/ou da combinação de transdutor/câmara acústi- ca. O processo para localizar um ponto de operação para acionar o transdutor começa pela varredura através das frequências aplicadas ao transdutor, por exemplo, aplicando uma faixa de frequências ao transdutor e medindo os dados de realimentação do transdutor. A faixa de frequências a serem varridas pode ser proporcionada pelas confi- gurações do usuário. Os dados para a reatância, X, e a resistência, R, do transdutor são coletados. Uma técnica para coletar os dados para a reatância e a resistência é medir a tensão, a corrente e o ângulo de fase sobre o transdutor. A resistência é determinada como a parte real da tensão dividida pela corrente, enquanto a reatância é determinada como a parte imaginária da tensão dividida pela corrente.

[00099] À medida que os dados para a varredura da frequência são coletados, várias frequências de ressonâncias e antirressonâncias po- dem ser determinadas. Os dados podem ser passados através de um filtro de baixa passagem e os picos podem ser identificados usando uma função derivativa. Um pico máximo para a antirressonância tam- bém é identificado. O método pode aceitar uma configuração de entra- da do número de reatâncias da antirressonância para localizar uma reatância mínima. Com base nos dados coletados e calculados, é de- terminada a reatância mínima desejada abaixo da antirressonância ou a reatância máxima desejada acima da antirressonância, neste caso como um índice das reatâncias mínimas ou máximas. Logo que a fre- quência da reatância desejada é localizada, a frequência do conversor de potência de RF é ajustada para a frequência localizada. A frequên- cia localizada pode ser um ponto de ajuste operacional para operar o transdutor.

[000100] Após um período, tal como diversos milissegundos até di- versas dezenas de segundos, o processo é repetido. Por repetição do processo, as variações no sistema podem ser identificadas dinamica- mente, como as alterações na reatância causadas por alterações das temperaturas, e os pontos de ajuste operacionais desejados podem ser modificados adequadamente de acordo com o processo.

[000101] Com referência à Figura 11, um fluxograma ilustra um pro- cesso para implementar um filtro de baixa passagem para uso no pro- cesso de determinação da frequência descrito acima. As característi- cas do filtro podem ser modificadas de acordo com o processo ilustra- do, para contribuir para otimizar a detecção dos pontos de ajuste de frequência desejados. O processo começa usando uma frequência de corte ou interrupção existente em combinação com os dados coletados da varredura da frequência. Um filtro Butterworth de baixa passagem de fase zero é usado para filtrar os dados coletados com a frequência de corte. A derivada dos dados é obtida para determinar os mínimos e/ou os máximos, e os cruzamentos zero de positivo para negativo são identificados e contados. Os cruzamentos zero de positivo para nega- tivo são indicativos dos picos detectados na resposta da frequência. Se o processo detectar mais picos do que o esperado, a frequência de corte é aumentada e o processo é repetido. Se a contagem for menor que o número esperado de picos, o dado filtrado é proporcionado para o processo de detecção da reatância mínima/máxima.

[000102] A Figura 12 ilustra uma varredura da frequência para um transdutor piezelétrico 1x3 levemente amortecido, acoplado a uma ca- vidade acústica, através da qual um fluido contendo células CHO (ová- rio de hamster chinês) foi escoado. Como ilustrado, a antirressonância de pico é localizada e uma reatância mínima a duas distâncias da an- tirressonância é selecionada para um ponto de ajuste de frequência. Na figura, a antirressonância é aproximadamente 2,278 MHz e o ponto de ajuste da frequência selecionado é aproximadamente 2,251 MHz.

[000103] A Figura 13 ilustra uma varredura da frequência para um transdutor 1x3 de 2 MHz altamente amortecido, acoplado a uma câma- ra acústica contendo CHO. A antirressonância de pico é identificada e a reatância mínima a duas distâncias da frequência de antirressonân- cia é selecionada para um ponto de ajuste operacional. Embora uma reatância mínima a duas distâncias da frequência de antirressonância seja escolhida como um ponto de ajuste operacional, qualquer reatân- cia ou índice distante da antirressonância pode ser escolhido para um ponto de ajuste operacional.

[000104] Através de teste experimental do sistema de filtragem acús- tica em larga escala, foi determinado que o transdutor 1x3 de 1 MHz e 2 MHz pode ter uma eficiência ideal ao operar nos pontos de reatân- cia mínimos, em frequências abaixo das antirressonâncias do transdu-

tor, bem como ao operar nos pontos de reatância máximos acima da antirressonância do transdutor. A técnica descrita neste documento proporciona um método automatizado para definir a frequência do aci- onador de RF para o transdutor, de modo que esteja operando em um ponto de reatância mínimo abaixo da antirressonância ou em uma rea- tância máxima acima da antirressonância. De acordo com um recurso, a técnica mantém o ponto de operação desejado. A técnica pode ser usada para definir a frequência do acionador de RF, como o inversor, o gerador de funções ou o oscilador discutido acima.

[000105] O método começa executando uma varredura das frequên- cias e coletando o dado de resistência e reatância para cada etapa da frequência. O dado de resistência e reatância é extrapolado a partir das medições de tensão e corrente do acionador de RF. A faixa de varredura pode ser especificada pelo usuário, mas tem como objetivo ser 50 kHz acima e/ou 50 kHz abaixo da antirressonância do transdu- tor. Além disso, ou alternativamente, a faixa de varredura pode ser 150 kHz acima e/ou 150 kHz abaixo da antirressonância do transdutor. O tamanho da etapa e o intervalo da etapa também são variáveis que podem ser alteradas. Quando a varredura for concluída, ela gera a frequência, a resistência e a reatância em cada etapa.

[000106] O dado da varredura é então filtrado utilizando um filtro But- terworth de baixa passagem de fase zero. A reatância entra em um loop em que a baixa frequência de corte do filtro é constantemente aumentada, até que o número de picos dos dados filtrados seja igual ao número de picos estimados. Este número de picos estimados é for- necido pelo usuário. O dado de resistência é filtrado usando um filtro Butterworth de baixa passagem de fase zero, no entanto, a baixa fre- quência de corte é aumentada até que haja um pico. O valor de pico do dado de resistência filtrado é interpretado como a antirressonância do transdutor.

[000107] A derivada do dado de reatância filtrado é calculada e é usada para encontrar todos os pontos máximos ou mínimos da curva de reatância. Se o número de mínimos/máximos de reatância a partir da entrada de dados de antirressonância for negativo, o método procu- rará os pontos mínimos de reatância abaixo da antirressonância. O método faz isso identificando os cruzamentos zero de negativo para positivo, em outras palavras, os cruzamentos zero da inclinação as- cendente da derivada da curva de reatância filtrada. Se esse número for positivo, o método procurará os cruzamentos zero de positivo para negativo acima da antirressonância, que são os pontos máximos da curva de reatância. O valor absoluto do número de mínimos/máximos de reatância a partir da entrada de dados de antirressonância é o nú- mero de pontos mínimos ou máximos da antirressonância. O índice deste ponto é usado para determinar a frequência para definir o acio- nador de RF.

[000108] O acionador de RF é definido e o método aguarda uma quantidade de tempo designada, definida pelo usuário. Assim que este período tiver passado, o método então varre e inicia a sequência mais uma vez. Os dados da amostra de dados tanto levemente quanto al- tamente amortecidos podem ser vistos na Figura 12 e na Figura 13. Nos dois exemplos, o método foi selecionado para escolher dois pon- tos mínimos de reatância abaixo da antirressonância, representados por linhas verticais grossas. A frequência definida é indicada pela linha grossa à esquerda. Pode-se observar que essa linha cai sobre o cru- zamento zero de negativo para positivo da derivada da curva de dados de reatância filtrada e no mínimo local da curva de dados de reatância filtrada.

[000109] Com referência à Figura 14, é ilustrado um diagrama de uma configuração de controle para controlar um transdutor acústico 112 acoplado a uma câmara acústica 114. O transdutor acústico 112 é acionado por um conversor de potência de RF composto de fonte CC 110, conversor CC-CC 116 e inversor CC-CA de RF 118. O sinal de acionamento de saída proporcionado pelo inversor 118 é inspecionado ou detectado para obter o sensor de tensão 122 e o sensor de corren- te 124, que são alimentados de volta para um controlador 120. O con- trolador 120 proporciona sinais de controle para o conversor 116 e o inversor 118, para modular o sinal de acionamento proporcionado ao transdutor acústico 112.

[000110] O sinal proporcionado pelo controlador 120 ao conversor 116 é uma medida da largura de pulso, que determina o ciclo de traba- lho dos sinais de comutação no conversor 116. O ciclo de trabalho de- termina o nível de CC da saída do conversor 116, que é aplicado ao inversor 118. Por exemplo, quanto maior o ciclo de trabalho, maior a saída de CC que é gerada pelo conversor 116. O controlador 120 tam- bém proporciona sinais de controle ao inversor 118 que determinam a frequência de operação do inversor 118. Os sinais de controle propor- cionados ao inversor 118 podem ser sinais de comutação, para comu- tar as chaves no inversor 118. Alternativamente, ou além disso, o con- trolador 120 pode proporcionar um sinal de controle ao inversor 118 que é usado para indicar uma frequência de comutação desejada, e o conjunto de circuitos interno ao inversor 118 interpreta o sinal de con- trole e comuta as chaves internas de acordo com o sinal de controle interpretado.

[000111] O sensor de tensão 122 e o sensor de corrente 124 produ- zem sinais que são proporcionados ao controlador 120 como sinais de realimentação para controlar o sinal de acionamento proporcionado ao transdutor acústico 112. O controlador 120 efetua operações e cálcu- los nos sinais proporcionados pelo sensor de tensão 122 e pelo sensor de corrente 124, por exemplo, para obter uma medida da potência, P = V*I, em que P é potência, como a potência efetiva, a potência imaginá-

ria ou a potência aparente, e V é a tensão, como a tensão de crista ou a tensão quadrática média (rms), e | é a corrente. Como um exemplo, a potência efetiva é representada pela equação P = V*I*cos(ângulo de fase).

[000112] O controlador 120 é fornecido com um esquema de controle que aceita configurações do processo, como a saída de potência, a faixa de operação das frequências ou outros parâmetros selecionáveis pelo usuário, e proporciona sinais de controle ao conversor 116 e ao inversor 118 com base nas configurações do processo e nos valores de realimentação. Por exemplo, como descrito acima, o controlador 120 pode sequenciar através de diversas frequências em uma faixa de frequências que são proporcionadas ao inversor 118 para varrer a fai- xa de frequências e determinar as características do transdutor 112 ou do transdutor 112 em combinação com a câmara acústica 114, que pode estar sob carga. Os resultados da varredura das frequências em termos de tensão e corrente obtidas do sensor de tensão 122 e do sensor de corrente 124, respectivamente, são usados para identificar as características das curvas de impedância para os componentes ou o sistema, tal como é ilustrado na Figura 12. A varredura das frequên- cias pode ser implementada para ocorrer na configuração e/ou em in- tervalos durante a operação do sistema ilustrado. Durante a operação em estado estacionário, a frequência varrida pode ser conduzida para identificar os pontos de ajuste desejados para a operação, como a po- tência ou a frequência, com base nas configurações do usuário e nos valores de realimentação. O esquema de controle implementado pelo controlador 120 é, assim, dinâmico e responde às condições de altera- ção no sistema, tal como pode ser encontrado com a mudança de fre- quência, a alteração da temperatura, as alterações de carga e quais- quer outras alterações de parâmetros no sistema. A natureza dinâmica do esquema de controle permite que o controlador responda às, ou compense as, não linearidades, como podem ser encontradas à medi- da que os componentes envelhecem ou perdem a tolerância. Conse- quentemente, o esquema de controle é adaptável e pode se adaptar às alterações no sistema.

[000113] Alguns exemplos de operação do sistema incluem acionar o transdutor acústico 112 para produzir uma onda estacionária acústica multidimensional na câmara acústica 114. Uma onda acústica 3D é estimulada acionando o transdutor acústico 112, que pode ser imple- mentado como um cristal piezelétrico, às vezes referido neste docu- mento como um PZT, próximo à sua frequência de antirressonância. As ressonâncias de cavidade modulam o perfil de impedância do PZT, bem como afetam os seus modos de ressonância. Sob a influência do campo acústico 3D, as partículas suspensas no meio líquido na cavi- dade acústica 114 são desmanchadas em folhas aglomeradas e de- pois em aglomerados firmemente compactados de material aglomera- do. Assim que as concentrações de partículas atingem um tamanho crítico, as forças gravitacionais assumem e o material aglomerado cai fora do campo acústico e no fundo da câmara. As concentrações vari- áveis de material aglomerado, bem como a queda desse material, afe- tam as ressonâncias da cavidade que, por sua vez, alteram a carga acústica sobre o PZT e a sua impedância elétrica correspondente. A dinâmica variável do material coletado desregula a cavidade e o PZT, reduzindo os efeitos da onda 3D na clarificação do meio. Além disso, as alterações na temperatura do meio e da cavidade também desregu- lam a cavidade, de modo que a clarificação é reduzida. Para rastrear as alterações de ressonância que ocorrem na cavidade, uma técnica de controle é usada para seguir as alterações nas características elé- tricas do PZT.

[000114] Um forte campo acústico 3D pode ser gerado ao acionar o PZT a uma frequência onde a sua impedância de entrada é uma quan-

tidade complexa (eficiente e imaginária). No entanto, a dinâmica da cavidade pode fazer com que esse valor da impedância mude signifi- cativamente de maneira errática. As alterações na impedância são de- vidas, pelo menos em parte, a alterações na carga aplicada ao trans- dutor acústico 112 e/ou à câmara acústica 114. À medida que as partí- culas ou o fluido secundário é separado de um fluido primário ou hos- pedeiro, a carga sobre o transdutor acústico 112 e/ou a câmara acústi- ca 114 se altera, o que, por sua vez, pode influenciar a impedância do transdutor acústico 112 e/ou câmara acústica 114.

[000115] Para corrigir a desregulação, o controlador 120 calcula a impedância do PZT da tensão e da corrente detectada no PZT usando o sensor de tensão 122 e o sensor de corrente 124 e determina qual maneira de alterar a frequência de operação para compensar a desre- gulação. Como as alterações na frequência afetam a potência liberada à câmara, o controlador também determina como ajustar a tensão de saída do conversor buck (dinâmico) 116 para manter a quantidade de- sejada de saída de potência do inversor CC-CA de RF 118 e para o transdutor acústico 112 e/ou a câmara acústica 114.

[000116] O conversor buck 116 é uma fonte de alimentação CC-CC ajustável eletronicamente e é a fonte de potência para o inversor 118. O inversor CC-CA de RF 118 converte a tensão CC do conversor 116 de volta em um sinal de CA de alta frequência para acionar o PZT. À dinâmica na câmara ocorre em taxas que correspondem às frequên- cias na faixa de áudio baixa. Consequentemente, o conversor 116, o controlador 120 e o inversor CC-CA 118 são capazes de trabalhar em taxas mais rápidas que a faixa de áudio baixa, para permitir que o con- trolador 120 rastreie a dinâmica da câmara e mantenha o sistema ajustado.

[000117] O controlador 120 pode alterar simultaneamente a frequên- cia do inversor CC-CA 118 e a tensão CC que sai do conversor buck

116 para rastrear a dinâmica da cavidade em tempo real. A largura de faixa de controle do sistema é uma função da largura de faixa de RF do inversor 118 e da frequência de corte do sistema de filtragem do conversor buck 116.

[000118] O controlador 120 pode ser implementado como um contro- le DSP (processador de sinal digital) ou como um controle FPGA (ar- ranjo de portas programável em campo), como exemplos. O controla- dor 120 pode ser implementado com dois canais, para permitir o pro- cessamento paralelo, por exemplo, para analisar a impedância real e/ou reativa, a tensão, a corrente e a potência.

[000119] A dinâmica acústica da cavidade afeta as características elétricas do PZT, o que afeta a tensão e a corrente consumidas pelo PZT. A tensão e a corrente do PZT detectadas são processadas pelo controlador para calcular a potência em tempo real consumida pelo PZT, bem como a sua impedância instantânea (afetada pela dinâmica acústica). Com base nos pontos de ajuste do usuário, o controlador ajusta, em tempo real, a potência CC suprida ao inversor 118 e a fre- quência na qual o inversor 118 é operado para rastrear a dinâmica da cavidade e manter os pontos de ajuste do usuário. Uma rede LCL é usada para equiparar a impedância de saída do inversor t 118 para aumentar a eficiência da transferência de potência.

[000120] O controlador 120 examina os sinais do sensor rápido o su- ficiente para detectar alterações no desempenho da cavidade (por meio de alterações na impedância do PZT) em tempo real. Por exem- plo, o controlador 120 pode examinar os valores de realimentação do sensor de tensão 122 e do sensor de corrente 124 a cem milhões de amostras por segundo. As técnicas de processamento de sinais são implementadas para permitir uma ampla faixa dinâmica para a opera- ção do sistema para se adaptar a amplas variações na dinâmica da cavidade e aplicações. O conversor 116 pode ser configurado para ter um tempo de resposta rápido para seguir os comandos de sinal vindos do controlador 120. O inversor 118 pode acionar uma ampla gama de cargas que exigem quantidades variáveis de potência efetiva e reativa que se alteram ao longo do tempo. O pacote de eletrônicos usado para implementar o sistema ilustrado na Figura 14 pode ser configurado pa- ra atender ou superar os requisitos do UL e da CE para interferência eletromagnética (EMI).

[000121] Com referência à Figura 15, o controlador 120 pode ser im- plementado com loops de processamento de sinal digital paralelos de velocidade muito alta usando RTL (Nível de Transferência de Regis- tro), que é realizado em circuitos eletrônicos digitais reais dentro de um Arranjo de Portas Programável em Campo (FPGA). Dois loops de integral proporcional (PI) digital de alta velocidade ajustam os sinais de controle de frequência e amplitude gerados pelo controlador 120, para rastrear a potência e a reatância. Um amplificador linear 132 é usado para amplificar o sinal de saída do controlador 130 (que pode ser im- plementado como controlador 120) em preparação para acionar o PZT. O sensor de tensão e corrente é usado para detectar a tensão e a corrente no transdutor. Um cálculo é realizado em série pelo contro- lador 130 para gerar sinais de controle proporcionados ao amplificador linear 132. O FPGA pode ser operado com um sinal regulador de 100 MHz. A velocidade reguladora contribui para obter um exame rápido o suficiente para monitorar e se adaptar às condições do PZT em tempo real. Além disso, a estrutura do FPGA permite que cada componente das portas tenha um retardo de propagação de acordo com a veloci- dade reguladora. O retardo de propagação para cada componente das portas pode ser menos que um ciclo ou 10 ns com uma velocidade re- guladora de 100 MHz.

[000122] O controlador 130 pode ser configurado para calcular os seguintes parâmetros.

VRMS = raiz quadrada de (V1? + V2? +... + VM?) IRMS = raiz quadrada de (112 + 122 +... + In?) Potência efetiva (P = V-Inst. x I-Inst Integrado durante N Ciclos) Potência Aparente (S = VRMS x IRMS)

[000123] O controlador 130 pode ser configurado para calcular a po- tência reativa e o ângulo de fase bipolar decompondo a tensão e a cor- rente detectadas em componentes em fase e de fase em quadratura. A Figura 16 ilustra a demodulação em fase e de fase em quadratura da tensão e da corrente, para obter uma fase de quatro quadrantes, a potência reativa e a reatância. Os cálculos para a potência reativa e o ângulo de fase podem ser simplificados usando os componentes em fase e de fase em quadratura. VÂngulo Fase = Arc ta(QV/IV) lÂngulo Fase = Arc ta(QUI) Ângulo de Fase = VFase - Ifase Potência reativa = (Q = Potência Aparente x Seno(Ângulo de Fase)

[000124] O controlador 130 pode implementar um esquema de con- trole que começa com uma varredura das frequências para determinar os parâmetros de desempenho do sistema em frequências discretas dentro da faixa de varredura das frequências. O esquema de controle pode aceitar entradas de uma frequência inicial, um tamanho de etapa de frequência e número de etapas, que define a faixa de varredura das frequências. O controlador 130 proporciona sinais de controle ao am- plificador linear 132 para modular a frequência aplicada ao PZT, e a tensão e a corrente do PZT são medidas usando o sensor de tensão e o sensor de corrente. O esquema de controle do controlador 130 pode repetir a varredura das frequências várias vezes para determinar as características do sistema, por exemplo, a reatância, com um nível de segurança relativamente alto.

[000125] Um número de mínimos de reatância pode ser identificado como resultado da análise dos dados obtidos na varredura das fre- quências. A técnica de controle pode ser proporcionada com uma en- trada que especifique uma certa faixa de frequências, onde um mínimo de reatância desejado está localizado, assim como sendo proporcio- nada com uma inclinação da resistência (+/-) que pode ser usada para rastrear um ponto de operação desejado com base no rastreamento da resistência que corresponde a uma reatância mínima desejada. À inclinação da resistência pode ser constante, próxima à reatância míi- nima, o que pode proporcionar um parâmetro útil para uso com uma técnica de rastreamento. Ao rastrear a resistência em uma frequência desejada, pode ser obtido um controle firme para operar em um ponto de reatância mínimo.

[000126] A técnica de controle pode utilizar a derivada dos valores de resistência/reatância para localizar as derivadas de inclinação zero, que são indicativas dos máximos e dos mínimos. Um loop de controla- dor PID (proporcional integral diferencial) pode ser usado para rastrear a resistência, para obter um ponto de ajuste de frequência no qual ocorre uma reatância mínima desejada. Em algumas implementações, o controle pode ser um loop proporcional-integral (PI). Com o FPGA operando a 100 MHz, ajustes ou correções de frequência podem ser feitos a cada 10 ns para compensar as alterações na resistência ras- treada. Esse tipo de controle pode ser muito preciso e implementado em tempo real para gerenciar o controle do PZT na presença de diver- sas variáveis que se alteram, incluindo a reatância, a carga e a tempe- ratura, por exemplo. A técnica de controle pode ser proporcionada com um limite de erro para a frequência do mínimo de reatância ou o ponto de ajuste de frequência, para permitir que o controle ajuste a saída ao amplificador linear 132 para manter a frequência dentro do limite de erro.

[000127] Uma mistura de fluidos, tal como uma mistura de fluido e particulados, pode ser escoada através da câmara acústica para ser separada. O fluxo da mistura de fluidos pode ser proporcionado atra- vés de uma bomba de fluido, que pode introduzir perturbações no flui- do, bem como no PZT e na câmara. As perturbações podem criar uma flutuação significativa nas amplitudes de tensão e corrente detectadas, indicando que a impedância efetiva da câmara flutua com as perturba- ções da bomba. No entanto, devido à velocidade da técnica de contro- le, as flutuações podem ser quase completamente canceladas pelo método de controle. Por exemplo, as perturbações podem ser identifi- cadas nos dados de realimentação do PZT e podem ser compensadas na saída de controle do controlador. Os dados de realimentação, por exemplo, a tensão e a corrente detectadas, podem ser usados para rastrear a pressão geral da câmara acústica. Como as características do transdutor e/ou da câmara acústica mudam ao longo do tempo e com vários parâmetros ambientais, como a pressão ou a temperatura, as alterações podem ser detectadas e a técnica de controle pode compensar as alterações para continuar a operar o transdutor e a câ- mara acústica em um ponto de ajuste desejado. Assim, um ponto de ajuste desejado para a operação pode ser mantido com acurácia e precisão muito altas, o que pode levar a uma eficiência otimizada para a operação do sistema.

[000128] O FPGA pode ser implementado como um módulo autôno- mo e possivelmente acoplado a um acionador de classe D. Cada mó- dulo pode ser proporcionado com um endereço embutido em código para que possa ser identificado quando conectado a um sistema. O módulo pode ser configurado para ser trocável automaticamente, de modo que a operação contínua do sistema seja permitida. O módulo pode ser calibrado para um sistema particular e um transdutor, ou po- de ser configurado para executar uma calibração em pontos particula- res, como na inicialização. O módulo pode incluir memória de longo prazo, como uma EEPROM, para permitir o armazenamento de tempo em operação, segurança, logs de erros e outras informações associa- das à operação do módulo. O módulo é configurado para aceitar atua- lizações, para que novas técnicas de controle possam ser implemen- tadas com o mesmo equipamento, por exemplo.

[000129] Uma técnica de controle de exemplo executa um loop no qual a tensão e a corrente são medidas no transdutor acústico, a po- tência efetiva e a resistência são calculadas e proporcionadas a um controlador proporcional-integral (PI). A saída do controlador PI é usa- da para ajustar a amplitude e a frequência do sinal suprido ao transdu- tor. O loop é repetido, resultando na amplitude da potência proporcio- nada ao transdutor sendo controlada e rastreada, e na frequência da potência proporcionada ao transdutor sendo controlada e rastreada. O loop permite que o controlador se ajuste dinamicamente às alterações no sistema, incluindo as alterações relacionadas ao carregamento do transdutor e/ou da combinação de transdutor/cavidade acústica ou as alterações relacionadas à temperatura, como exemplos.

[000130] A Figura 17 ilustra um método de exemplo para processar informações para implementar um controle de transdutor. O método usa pontos de operação desejados para a potência efetiva e uma rea- tância mínima, que podem ser obtidos a partir da entrada do usuário. O dado é recebido do transdutor, incluindo a tensão de acionamento e a corrente de acionamento. O dado recebido do transdutor é condicio- nado para melhorar a qualidade das informações e os cálculos delas derivados. Por exemplo, o dado que representa a tensão de aciona- mento e a corrente de acionamento é realinhado (equilíbrio de fase, a relação entre os sinais de tensão e de corrente), proporcionado com um deslocamento e aumentado na escala para uso nos cálculos sub- sequentes. O dado da condição é usado para calcular a potência efeti- va, a resistência e a reatância do transdutor. Esses parâmetros são comparados aos pontos de operação recebidos no método e um con- trolador PI é usado para gerar um sinal que pode ajustar a potência efetiva e a frequência do sinal de acionamento proporcionado ao transdutor. Observe que os parâmetros de realimentação condiciona- dos podem ser usados para gerar um sinal de erro em combinação com as informações desejadas do ponto de operação, com o sinal de erro sendo proporcionado a um amplificador que ajusta o sinal propor- cionado à fonte de alimentação, seja um amplificador linear ou uma combinação de conversor-inversor.

[000131] A força de radiação acústica exercida sobre as partículas no fluido pode ser calculada e/ou modelada. Por exemplo, um modelo de COMSOL foi criado e usado para prever os campos lineares das ondas estacionárias acústicas. O modelo implementou modelos para piezeletricidade, elasticidade e acústica. O modelo foi usado para pre- ver forças de radiação acústicas sobre partículas que são pequenas em comparação com o comprimento de onda, que inclui o uso da equação de Gorkov, e partículas maiores, que inclui o uso das equa- ções de Yurii - Zhenia. Em alguns casos, pode ser útil normalizar os resultados, por exemplo, normalizando em relação à potência. O efeito sobre as partículas das forças de radiação acústicas pode ser estuda- do e, em particular, usado para determinar as configurações do trans- dutor e para controlar o transdutor e/ou a combinação de transdu- tor/cavidade.

[000132] A Figura 18 é um gráfico que ilustra a impedância (resistên- cia e reatância), a potência e o desempenho de um sistema acustofo- rético descrito neste documento. Como pode ser visto no gráfico, o de- sempenho máximo ocorre nos mínimos de reatância. O desempenho ideal pode ocorrer onde um máximo de resistência e um mínimo de reatância quase coincidem.

[000133] A Figura 19 é um gráfico que ilustra uma curva de resistên-

cia versus frequência, com vários modos diferentes identificados. Os modos de ordem superior são obtidos ao longo dos locais da linha do gráfico onde a resistência está acima de um mínimo. A Figura 20 é um gráfico que ilustra a reatância de um sistema acústico sobre uma faixa de 2,15 MHz a 2,3 MHz. O gráfico ilustra que a seleção do ponto de operação Xmín pode depender do modo. Por exemplo, o gráfico mos- tra que o menor Xmín é para um modo 4x4, significando que o melhor desempenho pode ser obtido executando o sistema a uma frequência que excita o transdutor em um modo de operação 4x4 e selecionando o Xmíin apropriado, por exemplo, x -1, x-2, o que for mais forte.

[000134] A Figura 21 é um gráfico que ilustra a amplitude de impe- dância absoluta. O gráfico ilustra que os melhores pontos de desem- penho multimodo estão próximos a uma inclinação acentuada, tornan- do difícil manter o alto desempenho.

[000135] A Figura 22 é um gráfico que ilustra a fase de impedância. A fase mais negativa representa as reatâncias mínimas, ou Xmín.

[000136] A Figura 23 é um gráfico que ilustra o deslocamento norma- lizado pela potência e a Figura 24 é um gráfico que ilustra a pressão média normalizada pela potência. As considerações das potências são importantes na maioria das implementações, por exemplo, um aciona- dor de 200 Watt que aciona cargas complexas que variam amplamen- te na faixa de tensão e corrente nas frequências de RF impõe deman- das significativas ao acionador. A potência pode, assim, ser controlada para a operação multimodo. Quando os parâmetros operacionais, co- mo o deslocamento e a pressão média, forem normalizados em rela- ção à potência, é útil entender a melhor frequência para a operação para um determinado nível de potência. Por exemplo, o método de controle pode procurar operar na pressão de pico, em multimodo, na configuração de potência útil mais baixa. Dado o gráfico na Figura 24, esse controle pode ser difícil sem um controle de frequência relativa-

mente preciso, uma vez que a pressão de pico no modo V é muito próxima em frequência a um mínimo de pressão e uma operação no modo |.

[000137] A Figura 25 é um gráfico que ilustra a operação com uma onda plana na fase zero. A Figura 26 é um gráfico que ilustra a opera- ção multimodo na reatância mínima. A Figura 27 é um gráfico que ilus- tra a resistência, a reatância e a potência efetiva versus a frequência. O desempenho ilustrado na Figura 25 é bastante ruim, com uma turbi- dez mínima de aproximadamente 1000 e o desempenho típico da tur- bidez sendo muito maior. O desempenho ilustrado na Figura 25 é ilus- trado na Figura 27 e na fase zero. O transdutor acústico, neste caso, está produzindo uma onda estacionária acústica no modo plano, que pode ser vista como operação de pistão.

[000138] O desempenho da turbidez na Figura 26 é um aumento significativo em relação ao ilustrado na Figura 25, com a turbidez mí- nima sendo frequentemente menor que 500. O transdutor acústico neste caso é operado em um mínimo de reatância, ilustrado no gráfico da Figura 27 no ponto X-1. O ponto X-1 representa a operação multi- modo, que pode produzir forças axiais e laterais sobre as partículas no fluido através do qual passa a onda estacionária acústica. Assim, o proporcionamento de uma técnica de controle para operar o transdutor acústico em um mínimo de reatância pode obter o desempenho dese- jado. O desempenho desejado pode ser obtido mesmo na fase zero, quando se opera em multimodo, conforme ilustrado com o ponto X-4 na Figura 27. O ponto X-4 é um mínimo de reatância com fase zero, que pode atingir o desempenho desejado devido à operação multimo- do, ao contrário da operação da onda plana na fase zero. O uso do X- 4 como um ponto de operação com reatância mínima é ilustrado na Figura 28. Como pode ser visto a partir da figura, o ponto de operação X-4 proporciona resultados ainda melhores do que o ponto de opera-

ção X-1, embora o ponto de operação X-4 esteja aproximadamente no mesmo nível de reatância que o ponto de operação na fase zero. Este resultado mostra as vantagens significativas em termos de desempe- nho para a operação multimodo em reatâncias mínimas. Esses benefí- cios de desempenho não são obtidos com o modo de operação zero ou de onda plana para o transdutor.

[000139] A Figura 29 mostra dois gráficos que ilusttam um método de rastreamento da resistência. O gráfico à esquerda mostra o rastre- amento da resistência após localizar o Xmín. Se o método de rastrea- mento for baseado na resistência após encontrar o Xmín, o sistema poderá modificar durante a operação, colocando o loop de controle em uma condição instável potencial, conforme ilustrado com o gráfico à direita.

[000140] O rastreamento dinâmico da onda acústica multidimensio- nal também pode ser feito através de outros parâmetros mínimos e máximos. Estes incluem a resistência máxima e mínima (Rmáx ou Rmín), a indutância máxima e mínima (Lmáx ou Lmiín) do sistema acústico e a reatância máxima (Xmáx). O ponto-chave do algoritmo para o rastreamento sendo que a onda estacionária acústica, como uma onda estacionária acústica multidimensional, é monitorada dina- micamente e a realimentação das alterações nos vários parâmetros da onda estacionária acústica é compensada pelos eletrônicos para man- ter as capacidades de processo desejadas da onda estacionária acús- tica, como a captura, o agrupamento, a segmentação, ou então os flui- dos secundários e terciários e as partículas de processamento dentro de um fluido primário.

[000141] Um método de exemplo para controlar automaticamente o processo de acustoforese pode ser implementado pelo rastreamento rígido do nível de potência efetiva liberado para o transdutor, ao mes- mo tempo rastreando simultânea e rigidamente um local de reatância específico sobre o gráfico de dados de reatância durante um intervalo entre as ressonâncias da câmara. Os níveis de reatância e potência são extraídos dos sinais de tensão e corrente sobre o elemento pieze- létrico e proporcionam realimentação constante para o processo de ajuste dos controles. Esse processo de ajuste consiste em ajustar o ganho do amplificador do acionador de saída para liberar um nível constante de potência efetiva para o elemento piezelétrico e ajustar a frequência do sinal de acionamento para rastrear um local de reatância desejado sobre a curva de reatância.

[000142] O método usa uma técnica de controle que executa conti- nuamente minivarreduras da frequência (uma pequena varredura da frequência local) para rastrear um padrão de captura multimodal em relação à reatância mínima. Essa reatância mínima está dentro de uma única ressonância da câmara selecionada e é calculada a partir da tensão e da corrente detectadas no transdutor. Em uma implemen- tação de exemplo, o método usa um número reduzido de etapas de frequências para reduzir ou minimizar o intervalo entre as frequências, durante o qual a potência será distribuída. Outra implementação de exemplo pode usar a menor faixa de frequência possível para executar o controle desejado. Pode ser usada uma taxa de varredura das fre- quências que seja muito maior que a dinâmica do sistema. Uma taxa de varredura tão alta permite que o controle responda mais rapida- mente do que a dinâmica física da câmara de ressonância carregada, de modo que o rastreamento do Xmín possa ser mais preciso e con- sistente. Por exemplo, uma taxa de controle de cerca de 3 kHz a cerca de 300 kHz pode ser usada.

[000143] Em cada etapa da frequência na minivarredura, um novo valor de reatância é calculado com base nos dados recém-adquiridos de tensão e corrente. Esse novo valor de reatância é então comparado com um valor de reatância mínimo anterior armazenado no momento e substitui esse valor se for encontrado um valor de reatância menor ou mais negativo. Após a conclusão da varredura das frequências, esse método tem o efeito de localizar o valor de reatância mínimo em toda a minivarredura. A etapa final do algoritmo define/estaciona a frequência de saída neste mínimo de reatância recém-localizado, mais um deslo- camento da frequência, se desejado. Esse processo é repetido a uma taxa rápida o suficiente para rastrear quaisquer alterações físicas nas condições dentro do processo de acustoforese que ocorrem dentro da câmara de ressonância.

[000144] O processo de controle implementa várias etapas para ras- trear cuidadosamente um ponto Xmín desejado. Com referência à Fi- gura 35, é ilustrado um sistema de controle para calcular vários parâà- metros usados para rastrear Xmín. Com referência à Figura 36, é rea- lizada uma varredura da frequência global para localizar um ponto de antirressonância na resposta da câmara de ressonância. A frequência do ponto de antirressonância é a frequência salva posteriormente. À frequência de antirressonância é onde um pico máximo de resistência se alinha com um ponto onde a reatância cruza zero, o que pode ocor- rer em um único ponto na resposta de frequência. Os cruzamentos ze- ro da reatância são os autovalores do sistema. Ao monitorar a resis- tência e a reatância à medida que a frequência é variada, a antirresso- nância pode ser determinada usando esses critérios. Em alguns exemplos, a varredura da frequência, que pode ser uma varredura da frequência global, é de 2,22 MHz a 2,26 MHz, que abrange vários pi- COS e vales semiperiódicos tanto para a resistência quanto para a rea- tância. Em outros exemplos, a faixa de varredura é de 0,5 MHz a 1,5 MHz ou de 2 MHz a 2,5 MHz, ou partes dessas faixas. A varredura pode ter etapas de frequência em um tamanho de cerca de 2 kHz, embora possa ser usado qualquer outro tamanho de etapa adequado. Em alguns exemplos, o sistema atinge alta eficiência quando a corren-

te atinge um máximo. A corrente pode ser monitorada enquanto a fre- quência é variada para identificar a corrente máxima.

[000145] A varredura da frequência pode ser feita em etapas ou con- tinuamente. A taxa ou o tamanho da etapa para o aumento da fre- quência pode ser especificado por uma entrada do usuário e/ou pode ser determinado com base em vários parâmetros. Por exemplo, se o comprimento do caminho da acústica for conhecido, ele poderá ser proporcionado ao sistema para permitir que os cálculos sejam realiza- dos para determinar o espaçamento de ressonância para uma onda estacionária. O espaçamento de ressonância pode ser usado para de- terminar os pontos de ajuste de frequência para operar em um local de ressonância, que pode ser inspecionado com uma gradação da fre- quência mais precisa para localizar os mínimos e/ou os máximos para a resistência e a reatância. Por exemplo, uma resolução de frequência tão pequena quanto 23 mHz (mili-Hertz) pode ser obtida para o contro- le discutido neste documento. A Figura 37 é um gráfico que mostra os resultados de uma varredura da frequência global para os mínimos de reatância.

[000146] Os mínimos identificados para a reatância do sistema são posteriormente inspecionados em um intervalo de frequência menor, para obter uma reatância mínima local, que pode ser usada como um ponto de ajuste operacional inicial. A varredura da frequência menor, ou minivarredura, produz um valor de reatância mínimo local e uma frequência associada, que podem ser usadas para inicializar o rastre- amento de Xmín. A minivarredura localizada e a reatância mínima e a frequência de Xmín resultantes são ilustradas nas Figuras 38 e 39.

[000147] O processo usa o ponto de ajuste inicial como o ponto de partida para realizar minivarreduras contínuas sobre o local de reatân- cia mínima. Os parâmetros para a minivarredura são estabelecidos, como o tamanho da etapa de varredura, o raio da varredura e/ou o tipo de método. Os limites inferior e superior da faixa de varredura são identificados. A varredura começa no limite inferior e mede a tensão e a corrente sobre o transdutor para determinar a resistência e a reatân- cia nessa frequência. A frequência é alterada de acordo com o tama- nho da etapa e as medidas são novamente obtidas. À medida que a varredura continua, o valor da reatância em cada frequência é deter- minado e pode ser armazenado ou comparado a um valor armazena- do. O menor valor de reatância é identificado nessa varredura e se torna o novo Xmín. O novo Xmín pode ser usado para determinar no- vos limites para a próxima varredura. Por exemplo, a frequência do novo Xmín pode ser definida para ser uma frequência central para a próxima varredura. Os limites da varredura são determinados pelo raio da varredura com o novo Xmín no centro do raio.

[000148] A minivarredura pode ser realizada continuamente para ras- trear dinamicamente o Xmín. O ponto de operação Xmín selecionado pode ser rastreado de acordo com vários métodos diferentes. À medi- da que a reatância mínima muda devido a fatores operacionais, discu- tidos acima, o método de rastreamento de Xmín continua a localizar o mínimo usando a técnica de minivarredura. À medida que a reatância mínima é localizada, o método define novos parâmetros da minivarre- dura para, entre outras coisas, centralizar a frequência da nova rea- tância mínima dentro da faixa de minivarredura. Essa técnica de ras- treamento localiza continuamente uma nova frequência mínima de rea- tância dentro de uma janela relativamente pequena de frequências, o que aumenta a velocidade e a precisão do método. O ajuste da fre- quência central da janela permite que as frequências dos limites da janela sejam determinadas para as iterações seguintes da minivarre- dura.

[000149] O processo de minivarredura e o rastreamento e o ajuste de frequência são repetidos continuamente para localizar continua-

mente o mínimo de reatância à medida que a dinâmica física do siste- ma acústico muda. A taxa de repetição da minivarredura a uma veloci- dade que seja maior que os fenômenos do sistema físico aumenta a precisão do rastreamento contínuo e contribui para a operação melho- rada ou otimizada em um ponto de ajuste dinâmico desejado.

[000150] Este sistema de controle define automaticamente o tama- nho da etapa ou o ganho do algoritmo de rastreamento proporcional. Quando um novo local mínimo de reatância for encontrado dentro de uma minivarredura, essa nova frequência é usada como o ponto de ajuste, por exemplo, o controle salta para esse local de frequência, in- dependentemente do tamanho da alteração na frequência. Enquanto a varredura for grande o suficiente para conter quaisquer alterações na reatância mínima, o método rastreará o ponto de ajuste desejado da reatância mínima. Essa técnica tem várias vantagens sobre um contro- lador proporcional, por exemplo, porque um ganho proporcional não precisa ser ajustado. O algoritmo se ajusta dinamicamente, indepen- dentemente das condições na câmara acústica. O tamanho da etapa de frequência e o número de etapas de frequência são escolhidos com base nas características do sistema, de modo tal que quaisquer altera- ções no processo de acustoforese sejam detectadas por alterações na frequência e no local de reatância mínima dentro de uma varredura da frequência.

[000151] A Figura 30 ilustra uma técnica para localizar Xmiín usando um método de minivarredura. Um Xmiín inicial é localizado como discu- tido acima. Quatro pontos sobre a curva de reatância são escolhidos para representar as linhas sobre qualquer lado do valor de Xmín inici- al. As equações para as linhas podem ser resolvidas para identificar a sua interseção. Essa interseção é usada como o novo valor de Xmín. Essa técnica é muito rápida, pois apenas quatro pontos são usados, e pode ser suficientemente precisa para várias aplicações.

[000152] A Figura 31 ilustra um processo de minivarredura do Xmín com dois tamanhos de etapas diferentes para gerenciar o rastreamen- to do Xmín. Um tamanho de etapa maior pode ser usado fora de uma determinada faixa da reatância mínima identificada (Xmiín), que pode ajudar a fechar o ponto de operação desejado mais rapidamente. O número de etapas de frequência pode ser reduzido. Um limite pode ser usado para determinar qual tamanho de etapa usar. Por exemplo, a equação X - Xmínprev > Limite pode ser avaliada e um tamanho de etapa maior pode ser usado se a expressão for verdadeira e um tama- nho de etapa menor se a expressão for falsa. Um tamanho de etapa menor pode ser usado em uma determinada faixa em torno da reatân- cia mínima, para que alterações mais precisas na frequência de con- trole possam ser obtidas.

[000153] A Figura 32 ilustra outro método para o rastreamento de Xmín por minivarredura. Essa abordagem alterna automaticamente os ganhos em um loop PI para convergir rapidamente para o Xmín. Os ganhos PI positivos são aditivos - a frequência aumenta para aumentar a resistência - e os ganhos PI negativos são subtrativos - a frequência diminui para aumentar a resistência. Dois pontos em torno do Xmín são varridos e a inclinação da linha formada pelos dois pontos dá uma magnitude, enquanto o sinal da inclinação define a polaridade do ga- nho, que pode ser usada para definir automaticamente as polaridades do ganho PI. A equação Inclinação = (X2 - X1)/(F1 - F2) pode ser usa- da para determinar a magnitude e a polaridade da inclinação. Essa técnica pode ser usada para localizar rapidamente o Xmín, usando apenas dois pontos e um loop Pl. A magnitude e a polaridade são ge- radas automaticamente e imediatamente utilizáveis, aumentando a ve- locidade deste método.

[000154] A Figura 33 ilustra um método iterativo para rastrear o Xmín. Dois pontos sobre a curva de reatância próximos ao Xmíin são avaliados quanto à magnitude da reatância. A diferença entre os pon- tos é proporcionada a um loop PI para aumentar a diferença quando ela for maior, por exemplo, quando a inclinação da curva for mais ín- greme. A saída do loop PI é usada para ajustar a etapa de frequência para aumentar a etapa e buscar uma convergência mais rápida quan- do houver uma grande diferença entre os pontos. O loop PI proporcio- na uma etapa menor à medida que o ponto de frequência se aproxima do Xmín, pois as diferenças entre a magnitude da reatância em dois pontos próximos à parte inferior da curva são menores. Essa aborda- gem ajuda a obter uma convergência rápida para o Xmín, embora di- versas iterações às vezes possam ser usadas.

[000155] A Figura 34 mostra um método de rastreamento de exem- plo baseado no rastreamento da alteração na inclinação de uma linha tangente ao ponto mínimo de uma curva de reatância. Como a tentati- va de rastrear pontos adjacentes na parte inferior dessa curva pode ser extremamente imprecisa, é criada uma linha tangente virtual que é paralela à linha tangente na base da curva. Essa abordagem aumenta a resolução das alterações de inclinação sob a suposição que as duas linhas permanecem essencialmente paralelas à medida que a curva altera a amplitude e a localização da frequência.

[000156] O algoritmo de rastreamento tem como sua entrada a fre- quência, fx, na qual um mínimo de reatância, Xmín, tenha sido encon- trado dentro de um certo intervalo de ressonância da cavidade. Uma frequência incremental, f1, é escolhida com base no nível de resolução de rastreamento desejado. O valor da reatância, X1, é encontrado na frequência inicial, fx-f1. É iniciada uma busca que avança de forma in- cremental a frequência a partir da frequência inicial buscando um valor de X2 que seja igual a X1 para dentro de algum limite de erro. A fre- quência na qual X2 é encontrado, fs, é convertida em uma frequência relativa à fx, ou f2 = fs-fx. As duas frequências relativas, f1 e f2, são armazenadas para uso futuro no rastreamento.

[000157] O processo de rastreamento é iterativo. Dado o valor atual de fx, o algoritmo encontra o valor da reatância em fx-f1, chame isso de X1, e fx+f2, chame isso de X2. Se X2 for maior que X1, então redu- za o valor de fx. Se X2 for menor que X1, então aumente o valor de fx. Se X1 e X2 forem essencialmente iguais, não faça nada. O incremento aplicado à fx é determinado a partir de considerações de velocidade de rastreamento. Quanto maior o incremento, maior a frequência pu- lando para descobrir para onde o Xmín se deslocou. Observe que es- se algoritmo de rastreamento não depende de valores reais de reatân- cia, mas apenas de valores relativos, pois no sistema acústico para o qual isso foi projetado, os valores reais são dinâmicos, mas o formato da reatância sobre uma faixa de frequências é relativamente constan- te. O rastreamento contínuo é obtido repetindo as etapas acima de en- contrar X1 e X2 sobre a fx atual usando valores fixos de f1 e f2 e de- terminando o 'declive' de X2 em relação a X1.

[000158] Além disso, podem ser usadas diferentes técnicas de ras- treamento com parâmetros diferentes, tal como rastreando uma resis- tência (RMáx) associada à reatância mínima desejada. Por exemplo, a resistência ou uma frequência multimodo de interesse pode ser rastre- ada ou quaisquer outros parâmetros que proporcionem um desempe- nho adequado.

[000159] Com referência à Figura 39, a velocidade do processo para a varredura ou o mapeamento da frequência pode estar relacionada ao sistema e/ou à captura ou agrupamento do material que é retido ou que sai do campo acústico ou da onda estacionária acústica. A combi- nação do hardware e os processos implementados sobre o hardware produzem a velocidade de controle que é usada para obter a técnica de rastreamento para rastrear a frequência da reatância mínima. A média que ocorre, explícita e/ou implicitamente, por exemplo, através de hardware e/ou software, separadamente ou em combinação, e/ou operação do sistema ou características do sistema, como as resso- nâncias naturais do sistema, pode ser usada para operar o processo de rastreamento. Por exemplo, a média que ocorre pode resultar em uma velocidade de controle na faixa de quilohertz.

[000160] O processo de rastreamento se adapta à dinâmica do sis- tema, como quando o material é capturado no, ou liberado do, campo acústico ou onda acústica, ou quando a temperatura do sistema se altera, ou quando outros parâmetros do sistema se alteram durante a operação. O mínimo de reatância pode sofrer uma alteração de frequên- cia devida a diversas variáveis diferentes do sistema. Os processos des- critos neste documento podem ser usados para se adaptar a essas alte- rações e manter uma alta eficiência e um alto nível de desempenho, mesmo com alterações significativas na dinâmica do sistema.

[000161] Além disso, os processos e/ou os algoritmos discutidos neste documento podem ser proporcionados com faixas para vários parâmetros, o que permite uma escolha ou seleção do valor do parâ- metro sobre uma faixa. Por exemplo, as velocidades reguladoras, as taxas de aquisição de dados, as taxas de controle, as resoluções das minivarreduras e/ou quaisquer outros parâmetros úteis podem ter uma gama de valores que permitem ao usuário proporcionar um ponto de ajuste ou que permitem um ajuste automático com base na retroali- mentação ou outros parâmetros definidos ou medidos.

[000162] Os sistemas e os métodos discutidos neste documento po- dem ser utilizados sobre outras formas de ondas acústicas. Por exem- plo, as técnicas discutidas neste documento podem ser empregadas com uma onda estacionária acústica angular, o efeito de borda obtido em uma onda estacionária acústica onde a borda da onda estacionária acústica repele as partículas em um fluido hospedeiro, ao mesmo tempo permitindo que o fluido hospedeiro e as outras partes fluam através da onda estacionária acústica e das ondas em propagação que são utilizadas sozinhas ou onde pelo menos duas ondas em pro- pagação são utilizadas para formar uma onda estacionária acústica.

[000163] As técnicas discutidas neste documento podem ser utiliza- das em combinação com um sistema de concentrar e lavar células, um sistema de ligação por afinidade e/ou outras configurações acústicas para processamento celular e do biomaterial. As outras aplicações ou implementações incluem a transdução e a transfecção de células, co- mo as células T, com vírus e ácidos nucleicos, respectivamente.

[000164] Os métodos, os sistemas e os dispositivos discutidos acima são exemplos. Várias configurações podem omitir, substituir ou adicio- nar vários procedimentos ou componentes, conforme apropriado. Por exemplo, nas configurações alternativas, os métodos podem ser exe- cutados em uma ordem diferente da descrita e que várias etapas po- dem ser adicionadas, omitidas ou combinadas. Além disso, as caracte- rísticas descritas em relação a certas configurações podem ser combi- nadas em várias outras configurações. Os diferentes aspectos e ele- mentos das configurações podem ser combinados em um modo seme- lhante. Além disso, a tecnologia se desenvolve e, desse modo, muitos dos elementos são exemplos e não limitam o escopo da descrição ou das reivindicações.

[000165] Detalhes específicos são dados na descrição para propor- cionar um entendimento completo das configurações de exemplo (in- cluindo as implementações). No entanto, as configurações podem ser praticadas sem esses detalhes específicos. Por exemplo, os proces- Sos, as estruturas e as técnicas bem conhecidas foram mostrados sem detalhes desnecessários para evitar obscurecer as configurações. Es- ta descrição proporciona apenas configurações de exemplo e não limi- ta o escopo, a aplicabilidade ou as configurações das reivindicações. Em vez disso, a descrição anterior das configurações proporciona uma descrição para implementar as técnicas descritas. Várias alterações podem ser feitas na função e no arranjo dos elementos, sem se afastar do espírito ou do escopo da descrição.

[000166] Além disso, as configurações podem ser descritas como um processo que é representado como um diagrama de fluxo ou diagrama de blocos. Embora cada um possa descrever as operações como um processo sequencial, muitas das operações podem ser executadas em paralelo ou simultaneamente. Além disso, a ordem das operações po- de ser reorganizada. Um processo pode ter estágios ou funções adici- onais não incluídas na figura.

[000167] Tendo descrito diversas configurações de exemplo, podem ser usadas várias modificações, construções alternativas e equivalen- tes sem se afastar do espírito da descrição. Por exemplo, os elemen- tos acima podem ser componentes de um sistema maior, em que ou- tras estruturas ou processos podem ter precedência sobre, ou então modificar, a aplicação da invenção. Além disso, várias operações po- dem ser realizadas antes, durante ou após os elementos acima serem considerados. Por conseguinte, a descrição acima não limita o escopo das reivindicações.

[000168] Uma afirmação que um valor excede (ou é maior que) um primeiro valor limite é equivalente a uma afirmação que o valor atende ou excede um segundo valor limite que é ligeiramente maior que o primeiro valor limite, por exemplo, o segundo valor limite sendo um va- lor maior que o primeiro valor limite na resolução de um sistema rele- vante. Uma afirmação que um valor é menor que (ou está dentro de) um primeiro valor limite é equivalente a uma afirmação que o valor é menor que, ou igual a, um segundo valor limite que é ligeiramente me- nor que o primeiro valor limite, por exemplo, o segundo valor limite sendo um valor menor que o primeiro valor limite na resolução do sis- tema relevante.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de operar um sistema acustoforético, caracteri- zado pelo fato de que compreende controlar uma frequência de um sinal de acionamento aplicado a um transdutor acústico com base em mínimos ou máximos de reatância determinados a partir de um sinal de realimentação do transdutor acústico.

2. Método para controlar um transdutor acústico, caracteri- zado pelo fato de que compreende: determinar a frequência da reatância mínima ou máxima do transdutor; e proporcionar um sinal de potência ao transdutor acústico na frequência da reatância mínima ou máxima.

3. Método para determinar um ponto de ajuste operacional de um sistema acústico que inclui um transdutor acústico e uma câma- ra acústica, caracterizado pelo fato de que compreende: determinar um valor de reatância para pelo menos algumas de uma faixa de frequências, de modo tal que um valor de reatância mínimo ou um máximo seja determinado para a faixa de frequências; e aplicar o sinal de acionamento ao transdutor acústico a uma frequência associada ao valor de reatância mínimo ou ao máximo.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: identificar um subconjunto de frequências na faixa de fre- quências, a frequência associada ao valor de reatância mínimo ou ao máximo estando localizada no subconjunto; e determinar uma nova frequência dentro do subconjunto as- sociado ao valor de reatância mínimo ou ao máximo; e aplicar o sinal de acionamento ao transdutor acústico na nova frequência.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente localizar a frequência de antirressonância.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende localizar os mínimos ou os máximos de reatância adjacentes à frequência de antirressonância.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: identificar um mínimo de reatância a partir dos mínimos de reatância ou um máximo de reatância a partir dos máximos de reatân- cia; e proporcionar o sinal de acionamento a uma primeira fre- quência associada ao mínimo de reatância ou ao máximo de reatân- cia.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: avaliar os valores de reatância próximos à primeira fre- quência quanto a um novo mínimo de reatância ou um novo máximo de reatância; e selecionar uma nova frequência associada ao novo mínimo de reatância ou ao novo máximo de reatância.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente avaliar a reatância con- duzindo uma varredura das frequências de faixa estreita perto da pri- meira frequência.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente ajustar uma faixa da var- redura das frequências de faixa estreita com base no novo mínimo de reatância ou no novo máximo de reatância.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente controlar um ou mais de um tamanho de etapa ou número de etapas de frequências dentro da faixa da varredura da frequência de faixa estreita.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente controlar a varredura das frequências de faixa estreita com um loop de controle.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracteriza- do pelo fato de que compreende adicionalmente controlar os parâme- tros do loop de controle para aumentar a convergência para o novo mínimo de reatância ou o novo máximo de reatância.

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracteriza- do pelo fato de que compreende adicionalmente aumentar a conver- gência para o novo mínimo de reatância ou o novo máximo de reatân- cia aumentando o tamanho da etapa mais longe do novo mínimo de reatância ou do novo máximo de reatância e diminuindo o tamanho da etapa mais próximo do novo mínimo de reatância ou do novo máximo de reatância.

15. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que avaliar os valores da reatância compreende ainda aproximar uma tangente ao mínimo de reatância ou ao máximo de rea- tância e modificar a primeira frequência para obter a nova frequência onde a aproximação da tangente é mantida.

16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente determinar um ou mais de tensão, corrente, resistência, reatância, potência ou ângulo de fase do sinal de realimentação.

17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente controlar o sinal de acio- namento para manter um ponto de ajuste da potência.

18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

escoar uma mistura de um fluido hospedeiro e partículas ou uma mistura do fluido hospedeiro e fluido secundário para o sistema acustoforético; e ajustar a frequência do sinal de acionamento com base nos mínimos de reatância ou nos máximos de reatância.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracteriza- do pelo fato de que compreende adicionalmente: gerar uma onda acústica com o transdutor acústico; reter o material na onda acústica de modo tal que a carga sobre o transdutor acústico se altere; e controlar o sinal de acionamento aplicado ao transdutor acústico com base em um novo mínimo ou máximo de reatância asso- ciado à alteração da carga sobre o transdutor acústico.

20. Sistema acustoforético, caracterizado pelo fato de que compreende: uma câmara acústica; um transdutor acústico acoplado à câmara acústica e confi- gurado para gerar uma onda estacionária acústica na câmara acústica; em que o transdutor acústico é controlado em conformidade com o método da como definido na reivindicação 1.