摘要

本研究針對水質感測器長期浸泡於河川及污水環境時，易受生物膜與附著物影響而產生量測漂移、反應遲滯及維運頻率增加等問題，開發具氣噴式自動清洗功能之水質感測電極，並結合Edge AI進行清洗狀態標記、訊號過濾及資料傳輸管理。透過微型空氣泵浦定期沖刷感測面，以降低生物污損對酸鹼度(pH)、導電度(EC)及溶氧(DO)量測之干擾。研究於臺中市大里溪立仁橋進行三個月現地驗證，並與無自動清洗功能感測器進行平行比較；結果顯示，自動清洗感測器於最長5週之自主運作期間，pH與EC標準品回測偏移量皆可控制於5%以內，且DO清洗後偏移量維持於10%以下。相較於無自動清洗感測器，自動清洗系統在EC與DO測項呈現較穩定且即時的連續監測趨勢，尤以降低生物膜造成之DO偏低與波動現象最為明顯。此外，系統亦於高污泥濃度之污水處理廠曝氣池中驗證可連續運作3週以上，顯示其具降低人工維運負荷及支援即時曝氣控制應用之潛力。後續建議持續建立電極壽命管理、校正液品質控管及多元場域驗證機制，以強化自動清洗感測技術之長期可靠性與規模化應用效益。

一、前言

近年來，隨著水質管理需求逐漸由定期人工採樣轉為高頻率、連續與即時化監測，因此水質感測器成為掌握河川、渠道、水庫及污水處理系統水質變化的重要工具。相較於傳統採樣分析，感測設備可提供較高時間解析度的水質資料，有助於辨識污染事件、掌握水質變動趨勢，並提升異常狀況的即時應變能力。尤其在污染來源具間歇性、空間分布廣泛或不易頻繁到場採樣之場域，物聯網型水質感測器可作為大型水質監測設備與人工採樣之補充，提升水質監測之機動性與空間涵蓋範圍。

然而，水質感測器能否長期穩定運作，不僅取決於設備規格與校正結果，感測反應元件於現地布建期間的潔淨程度亦為影響資料品質的關鍵因素。當感測器長時間浸沒於天然水體或污水環境中，電極表面容易附著藻類、微生物、有機物及懸浮固體，逐步形成生物污損(Biofouling)與生物膜(Biofilm)，可能遮蔽或改變感測元件與水樣之接觸條件，導致酸鹼度(pH)、導電度(EC)、溶氧(DO)等量測訊號出現衰減、反應遲滯或數值漂移，進而降低監測資料的代表性與可信度。

生物污損為隨時間累積的動態過程，感測器表面初期可能先吸附水中溶解性有機物與膠體物質，隨後微生物逐漸附著並形成生物膜；在適當的光照、溫度、營養鹽及流況條件下，藻類與其他附著性生物亦可能進一步累積。由於污損速率會受到水溫、流速、懸浮固體濃度、水質特性及感測器材質等因素影響，不同場域所需的清潔與維護頻率亦存在差異。若完全仰賴人工定期清洗與校正，除增加人力、交通及管理成本外，也可能因巡檢週期限制，使感測器於兩次維護作業間產生未能即時辨識的量測偏移。

對水質感測器而言，設備常需因應不同水域環境、流況及污染特性，並可能進入高濁度、高有機負荷或生物附著條件較強之場域。因此，如何降低感測介面污損對量測結果的影響、延長穩定運作時間，並減少人工維運負荷，為提升水質感測器實務應用效益的重要課題。

基於上述需求，本研究於水質感測器中導入電極自動清洗技術，透過自動化清潔機制定期去除感測元件表面附著物，以降低污損對量測訊號之干擾。研究重點除評估自動清洗功能對感測器量測穩定性與資料連續性的改善效果外，亦探討其於現地長期運轉下之維運效益與應用可行性，作為後續水質感測器設計、布建策略及資料品質管理之參考。

二、自動清洗電極技術原理與設計

(一) 設計概念

自動清洗電極的核心設計概念，是於市售品質優良的水質感測電極外，加裝一組耐溫、耐腐蝕之保護套管，並將微型空氣泵浦整合於套管內部，搭配精確瞄準感測面的空氣噴頭，如圖1所示。當系統依預設頻率與時間啟動清洗程序時，噴頭會以氣流擾動並沖刷電極表面，降低生物膜附著的機率與厚度，原理近似於生態學中的「滾石不生苔」概念，透過持續性的表面擾動，阻斷微生物穩定附著與增生的條件。

圖1、具自動清洗功能之感測電極：(a)設計示意圖；(b)實體照

(二) Edge AI運作邏輯

此自動清洗技術的另一項關鍵特徵，是採用Edge AI（邊緣運算）而非Cloud AI架構管理清洗流程與數據傳輸。其運作邏輯為電極在執行清洗程序期間，會持續回傳「清洗前」所取得的最後一筆有效感測數據，並於清洗進行中標示清洗狀態；待電極表面重新形成水合層、訊號穩定後，再次傳送正式量測值。

此設計的實務意義在於，若將清洗過程中產生的暫態訊號變化交由雲端統一辨識與過濾，將大幅增加雲端運算負擔，且需另行開發辨識異常狀態的演算邏輯。改採邊緣端處理後，雲端僅需接收「已標記、已過濾」之乾淨數據，可與既有任何雲端平臺無縫整合，同時這套邏輯也同步適用於校正情境（例如於pH4標準液中校正時），雲端不需額外標記非異常的校正程序。團隊將此設計視為Edge AI應用於水質感測器之典範案例，具備跨場域、跨平臺擴充的潛力。

儘管設計概念明確但實際仍面臨多項挑戰，包括套管結構設計（須兼顧耐溫、耐腐蝕與不可影響感測面之水流交換）、空氣泵浦的選型（流量、噪音、耗能與壽命之取捨）、噴頭瞄準機制的精確度（須長期穩定對準微小感測面），以及整體系統的節能管理。

三、自動清洗與防污技術之分類比較

綜整國際文獻與專利布局，水質感測器之自動清洗/防污技術可歸納為四大技術方向：機械式擾動（如雨刷式刮除器或氣噴沖刷）、能量驅離（超音波震動、UV光照）、表面塗層（銅基防污塗料、有機矽塗層、超親水或超疏水表面），封閉式系統（密封測量艙、定時注樣量測）。各類技術成熟度與商業化程度不一：YSI、Hach等水質感測器大廠已分別於機械式雨刷與密封艙式設計累積多年專利布局；荷蘭飛利浦(Philips)則於UV光防污方向取得歐、美、澳、加多國專利；超音波震動式防污自1999年加州大學首次應用於溶氧探頭後，近年法國CEA、Université de Toulon等機構持續推進至「感測器支架內建震動源」的設計；銅基防污塗層則是目前商用多參數水質測站（如英國Proteus Instruments之proSONDE系列）最普遍採用之被動式防污手段，原理為釋放銅離子抑制微生物附著。表1彙整各技術之機制、優缺點。

表1、水質感測器自動清洗/防污技術分類比較

相較於上述國際技術類型，本研究採用之氣噴式機械沖刷設計，在技術定位上屬於機械式擾動的氣流沖刷分支，其優勢在於可直接外加於既有商用電極（不需更換感測器本體）、不涉及化學物質釋放、產品成本相對親民，亦無須如UV或超音波系統般導入額外的光源或能量模組。但同樣也面臨機械式的共通限制，須仰賴泵浦等可動元件的長期可靠度，以及在強日照、低溫或結冰環境下的供電與材料耐候性考驗。整體而言，銅基塗層與氣噴機械沖刷皆為目前商業化程度較高、單位成本較低的類型，相對超音波、UV方案，更適合應用於大量布建、預算有限的環境監測場域，如此說明本研究選擇氣噴式路線作為國產化技術發展方向的合理性。

四、場域驗證

(一) 驗證場址評估與選定

為驗證自動清洗電極於真實環境中的效能，研究團隊於113年4月26日與環保局會同現勘5處候選測站，最終選定大里區「立仁橋」（一處死魚好發區域）作為三個月場域測試點位，並於113年5月21日完成自動清洗感測器之現場安裝如圖2。

圖2、水質感測器場域測試現況：(a)感測電極端；(b)控制主機端

(二) 比對測試流程

驗證方法採「人工比對校正」與「自動清洗電極連續自主運作」並行設計，原規劃人工維運週期為2週、3週、4週、4週一次，由維運人員至現場進行標準品回測與校正。惟113年7月底凱米颱風侵襲，第三次比對因而延期至8月1日進行（與前次間隔拉長為5週），第四次則於9月4日恢復4週間隔完成，詳細比對時間如圖3。每次比對均記錄電極「清洗前」（即長時間自主運作、未經人工介入）與「清洗後」（人工沖洗並重新校正）兩階段的標準品回測結果與偏移量如圖4，藉此同時評估電極的長期抗污能力與清洗後的性能復原能力。

圖3、水質感測器場域測試之比對時程

圖4、電極人工清洗前後對照：左二為清洗前，右二為清洗後

五、驗證結果與數據分析

(一) 校正比對結果

表2所示為長時間連續監測之四次比對校正紀錄。整體而言，前三次比對顯示自動清洗電極在無人工介入下，至少可連續運作一個月以上，清洗前的標準品回測偏移量（pH、EC兩項）均低於5%；即使連續暴露長達五週（第三次比對），偏移量仍可壓低於1%，展現優異的抗污染穩定性。清洗後電極亦能迅速恢復至接近原始校正基準的性能。

表2、具自動清洗功能之水質感測器場域比對校正紀錄

溶氧(DO)測項是傳統感測器最難克服的生物膜干擾項目，本驗證中自動清洗電極經清洗後之飽和溶氧回測偏移量皆控制在10%以內(6.56%～8.57%)，顯示自動清洗機制對溶氧電極的保護效果尤為顯著。唯獨第四次比對（第4週）的導電度(EC)測項出現明顯異常：清洗前偏移量高達19.11%，清洗後仍有9.06%的偏移，遠高於其他三次比對結果。推測可能原因為電極經長時間使用後逐漸老化，或現場校正液受到污染所致，並建議後續研究可針對電極壽命週期管理與校正液品質控管進一步探討，以強化系統的長期穩定性。

(二) 與無自動清洗感測器之連續監測比較

為更直接評估自動清洗功能的實際效益，團隊將自動清洗感測器與同一地點布建之既有水質感測器（V2.0，無自動清洗功能）進行三個月平行連續監測，比較兩者在pH、EC、DO三項指標的連續趨勢，如圖5至圖7。

圖5、實場自動清洗電極驗證－pH測項連續趨勢

圖6、實場自動清洗電極驗證－導電度測項連續趨勢

圖7、實場自動清洗電極驗證－溶氧測項連續趨勢

結果顯示，兩種感測器在pH測量上表現高度一致，皆能準確反映水體酸鹼度的變化趨勢。導電度測量方面，自動清洗感測器展現出對水中導電度變化更靈敏、更即時的反應，相較之下無自動清洗功能的感測器則較常出現濃度偏低或突發性波動的情形。最具代表性的差異出現在溶氧測量：眾所周知溶氧電極極易受生物膜影響而出現測值偏低的現象，但自動清洗感測器所測得的溶氧數據明顯更為穩定，波動幅度遠小於無自動清洗功能感測器，證實自動清洗機制確實能有效降低生物膜對溶氧量測的干擾與包覆效應。

六、延伸應用案例：污水廠曝氣池場域

除河川場域驗證外，研究團隊亦於將此水質感測器布建於國內南部某水資源回收中心的活性污泥曝氣池單元中，該感測器可同步量測酸鹼值、導電度、溫度、氧化還原電位(ORP)及溶氧。在約3,000 mg/L懸浮固體物濃度的高污泥負荷環境下，驗證結果顯示感測器可維持正常運作三週以上，較傳統感測器明顯降低人力維運頻率，同時也提高即時介入鼓風機節能控制策略的可能性。此案例顯示自動清洗技術除適用於開放河川環境，亦能延伸至污泥濃度更高、生物膜孳生風險更甚的污水處理廠應用場域。

圖7、具電極自動清洗功能之水質感測器於污水廠場域布建

七、水質感測器自動清洗/防污技術之應用領域

除聚焦之河川即時水質監測與污水廠曝氣池應用外，自動清洗/防污技術在國際上的應用範疇遠較單一場域更為廣泛。表3彙整環境與水質監測、海洋與水文調查、離岸基礎設施與能源、箱網與陸上水產養殖，以及國防水下系統等五大應用領域，各領域常面臨的污損挑戰與目前主流的應對技術。

表3、水質感測器自動清洗/防污技術之應用領域與對應技術

在臺灣的實務應用中，搭配自動清潔功能之水質感測系統已可廣泛延伸至海水、淡水、海上箱網養殖、陸上魚塭養殖、水污染稽查取證、植物工廠及民生飲用水監控等場域，顯示自動清洗電極技術並非僅適用於環境部河川監測之單一情境，而具備跨產業複製與規模化商品化之潛力。值得注意的是，不同應用領域對防污技術的需求重點亦有差異：例如聲學感測設備（如ADCP）要求防污材料同時具備透光與透聲特性，相對於聚焦之電化學/光學電極，屬於相對小眾但技術門檻更高的利基市場；而箱網養殖與離岸能源設施則因部署規模大、人員到場成本高，更傾向採用免供電的被動式防污塗層或近乎零維護的封閉式設計。

八、結論與建議

本研究證實透過於既有水質感測電極外加裝氣噴式自動清潔模組，並結合Edge AI架構處理清洗期間的數據標記與傳輸邏輯，可有效降低生物膜附著對水質感測器準確度的影響，同時延長維護週期、降低人力維運成本，為小型化、國產化水質監測技術帶來具體的性能提升。臺中市大里溪立仁橋三個月場域驗證的結果，無論是與標準品的回測偏移，或是與既有無自動清洗感測器的平行監測比較，均一致支持此結論，尤其在長期困擾傳統感測器的溶氧測項上效果最為明顯。

展望後續發展，具體工作可朝三個方向推進：（一）建立電極使用壽命與性能衰退之長期監測模型，作為更換週期管理之依據；（二）強化現場校正液品質控管流程，降低人為操作誤差對驗證結果的干擾；（三）擴大跨場域驗證（如不同污染源、不同含砂量水體），驗證自動清洗模組在更多元環境條件下的通用性，作為邁向規模化商品化前的最後一道驗證關卡。

九、參考文獻

1. 環境部，《113年即時線上水質感測技術開發（3/4）計畫》成果報告（定稿），案號113AB007，受託單位：財團法人工業技術研究院，計畫主持人：朱振華，113年12月印製。
2. Delauney, L. et al., "Antifouling Strategies for Sensors Used in Water Monitoring: Review and Future Perspectives", Sensors, 2021, 21(2), 389.
3. PatSnap Eureka, "Non-Toxic Biofouling Prevention for Marine Sensors" 專利地景分析報告，2025年7月。
4. Proteus Instruments, "The Future of Antifouling Technology: Meet proSONDE", 2026年3月。