Python 实现物理单位转化 - physics.py

平时处理数据时有一个需求是要转化物理单位，比如标准压强单位是帕斯卡（Pa），但其实用的比较多的是 bar（相当于0.1 mPa），atm（标准大气压），psi（外国用的比较多，磅每平方英寸）。要想实现这些单位的标准化，最简单的方法就是编写些公式，比如我想让他们全都转换成标准大气压，根据下面公式可以开始写函数：

1 bar = 0.1mPa = 0.9869 atm

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def to_atm(value, unit):
  if unit == 'bar':
    return value / 1.01325
  elif unit == 'pa':
    return value / 100000 / 1.01325
  ...

这样写临时用自然没有问题，但一来觉得有大量冗余代码（比如上述案例中 1.01325 是个标准大气压的常数，二来如果下次我想要用 kPa 或者 mPa 作为标准单位，则又要写一个函数，显然非常笨拙。

在网上找了一番后发现有个非常精简（仅一个 Python 文件）且好用的 Python 库 ipython_physics，从名字可以看出该库最初的目的是作为 IPython（或 Jupyter）的插件。

具体使用时这样就行：

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from ipython_physics import Q
a = Q('1 bar')
print(a.to('atm'))
# 0.98692327 atm
print(a.to('atm').value)
# 0.98692327

该库的类主要借鉴了 PhysicalQuantities 中的 quantity.py 和 unit.py ，并往里面加了大量的物理单位，其中就包含了我需要使用到的压力相关的物理单位：

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# Pressure units
_addUnit("bar", "1.e5*Pa", "bar (cgs unit)")
_addUnit("mbar", "1.e2*Pa", "millibar")
_addUnit("kbar", "1.e8*Pa", "kilobar")
_addUnit("atm", "101325.*Pa", "standard atmosphere")
_addUnit("torr", "atm/760", "torr = mm of mercury")
_addUnit("psi", "6894.75729317*Pa", "pounds per square inch")

咱们来看看它实现物理量转换的核心函数：

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def _convertValue(value, src_unit, target_unit):
    (factor, offset) = src_unit.conversion_tuple_to(target_unit)
    return (value + offset) * factor

class PhysicalQuantity(object):
		...
		def to(self, *units):
				units = [_findUnit(x) for x in units]
        if len(units) == 1:
            unit = units[0]
            value = _convertValue(self.value, self.unit, unit)
            return self.__class__(value, unit)
        ...

class PhysicalUnit(object):
		...
		def conversion_tuple_to(self, other):
				if self.powers != other.powers:
            raise UnitError("Incompatible units")
        factor = self.factor / other.factor
        offset = self.offset - (other.offset * other.factor / self.factor)
        return (factor, offset)

假设是这个过程： Q(’1 pa’).to(’atm’)

首先就是得到系数, factor = (pa).factor / (atm).factor

pa 的系数就是标准物理量 1 Pa，而 atm 则是 101325.*Pa，因此算出 factor = 1/101325，就很容易得到结果。

最后是一个我在这个过程中踩的一个坑，有一个通俗的压力单位是 kg/cm2，甚至更简单点用“公斤”描述压强，但其实这个不是一个标准的压力单位，kg 是质量单位，而压力单位是牛顿，因此需要乘以一个重力才行，否则是不能识别的。

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a = Q('10 kg/cm^2')
a.to('atm')
# UnitError: Incompatible units
g0=Q("9.80665 m/s**2")
(a * g0).to('atm')
# 9.6784111 atm

这样就完成了所有通俗压强单位到标准大气压的单位转换。