超声波流量计作为一种非接触式新型流量计，具有无压损、量程比宽、可测极小流量、适用各种特殊流体等特点，被广泛应用于环保、工业生产、能源运输以及日常生活等方面。我国对超声波流量计的研究起步晚，目前，国内对超声波流量计的研究仍主要集中在硬件电路和信号处理方面，很少涉及对一次仪表的仿真分析，因此，其提高超声波流量计测量精度的能力有限。本文在前人对时差法超声波流量计的研究基础上，对单声道小管径超声波流量计进行了深入的研究。首先，针对流体温度变化及电子线路延时对测量精度的影响，提出了具有温度和电子线路延时时间自动补偿功能的测量方法，并完成了相应的硬件电路设计；针对小管径超声波流量计声程短、时差信号难以捕获的问题，提出了内置反射装置的管道模型，采用CFD方法对一次仪表进行数值仿真，以流量补偿系数K及其均方根误差为评定依据，研究了反射片的不同形状、特征尺寸、轴距以及不同渐缩角管道模型的流场特性，设计了最佳渐缩式管道模型；采用低功耗的设计思路，完成了系统的硬件和软件设计，硬件方面设计了换能器低电压激励电路和收发时序控制电路，信号处理方面，采用信号范围门结合软件滤波方法滤去噪声信号，有效提高了系统的抗干扰能力，降低了功耗，并最终完成了样机制作。论文最后对样机进行了实验研究，在完成标定后，采用标准表法对样机进行了瞬时流量实验，采用容积法进行累计流量实验；并根据实验数据对所设计的超声波流量计进行了误差分析和不确定度分析。