水漏れ検知回路：仕組みと必要性を徹底解説

魚池やプールをお持ちの方なら、水漏れがどれほど厄介な問題かご存じでしょう。水を継ぎ足し続けるのは手間も時間もかかり、長期的にはコストも嵩みます。そのため、わずかな漏水を早期に発見することは極めて重要です。しかし、高度な漏水検知システムを導入しなくても、シンプルな水検知回路があれば配管の漏れを手軽に特定できます。本記事では、このシンプルなプロジェクトの仕組みを詳しく解説します。

水検知回路の回路図

以下は本回路の概略図です。回路図は設計により異なりますが、基本構成は以下の通りです。

図1：水検知回路の概略図

注：上記回路では、LM339コンパレータを使用してセンスプローブの電圧と基準電圧V_REFを比較します。ここでは、プールや池の水位変化を検知する用途を想定しています。

実際の運用では、以下のイラストのようにセンスプローブとグラウンドプローブが必要になります。

図2：水検知セットアップのイラスト

このプローブには、ブレッドボード用ジャンパーワイヤーを使用します。

水検知回路の構成部品

上記の概略図から、以下の電子部品が必要であることがわかります。

R1〜R5：抵抗（オーム単位）
Q1：2N3904 トランジスタ
C1：0.1 μF コンデンサ
D1：グリーンLED
T1：BC557 PNPトランジスタ
U1：LM339 コンパレータIC

回路の動作原理

図3：回路作業中の技術者

前述の通り、LM339コンパレータと電圧プローブ（センスプローブ）が重要な役割を果たします。センスプローブの電圧は、水に接触しているかどうかによって大きく変化します。

開放回路時（水に非接触）

センスプローブが水に触れていない開放回路状態では、回路図の通りセンスプローブの電圧は5Vになります。この時点でコンパレータの入力インピーダンスは非常に高いため、R3には微小な電流しか流れず、R3両端の電圧降下はゼロです。したがって、コンパレータの反転入力電圧とセンスプローブ電圧はともに5Vとなります。

電圧分割器の形成

センスプローブが水に接触すると、グランドとセンスプローブ間に抵抗成分が生じ、これが電圧分割器を形成します。この抵抗をR_WATERと表記します。

図4：水の抵抗イラスト

センサプローブ電圧V_PROBEの計算式

R_WATERが1 MΩ未満の場合、V_PROBEは2.5V未満になります。純水ではないため水の抵抗は1 MΩ未満と仮定します（純水は不純水より抵抗率が高いため）。

したがって、センスプローブの電圧レベルを確認することで水との接触を判定できます。2.5V以上なら非接触、2.5V未満なら接触の可能性が高いと言えます。この電圧比較が可能なのはコンパレータがあるためです。基準電圧2.5Vは、R1とR2（ともに100 kΩ）による分圧で生成されます。コンパレータの非反転入力には微小電流しか流れないため、この2抵抗が正確に2.5Vの基準電圧を作り出します。

図5：定期メンテナンスを行うプール専門家

コンパレータの動作

LM339には4つのコンパレータが内蔵されていますが、本回路では1つのみ使用します。特筆すべきは、LM339の出力がオープンコレクタ型である点です。

V_PROBE ＜ V_REF（水接触時）：コンパレータ出力はハイインピーダンス（フローティング）状態になります。
V_PROBE ＞ V_REF（非接触時）：コンパレータ出力はグランドに接続されます。

トランジスタQ1の役割も重要です。V_PROBE ＞ V_REF時、コンパレータ出力がグランドに落ちるためQ1のベース電流はゼロとなり、Q1はカットオフ状態になります。結果としてLEDには電流が流れず消灯します。逆にV_PROBE ＜ V_REF時はコンパレータ出力がフローティングになり、R4を通じてQ1のベースに電流が流れ、Q1が飽和してLEDが点灯します。R4はQ1を飽和させ、水接触時にLEDを確実に点灯させるための抵抗です。