张衡制成水运浑象后，历代都有人模仿试制，例如三国时东吴的王蕃、葛衡，南北朝时期刘宋的钱乐之、梁代的陶弘景，隋代的耿询等。其中在水运浑象的制作方面做出显着进步的是唐代着名天文学家一行和梁令瓒。唐开元十一年(723年)，一行和梁令瓒合作设计制造了一台“浑天铜仪”，这是中国历史上又一台具有重要地位的水运浑象。它在模拟天体运动方面与张衡水运浑象类似，可以形象地演示日月星辰在天空中的相对位置及其周日视运动情况。因此，根据浑象上太阳的周日运动，可以知道当时具体时刻，观察浑象上太阳与恒星之间相对位置的变化，可以知道当时所处的节气。由此，该浑象具有计时功能，这是可以肯定的。
一行水运浑象内部结构非常复杂，《新唐书·天文志》说它“皆于柜中各施轮轴，钩键关锁，交错相持”。这表明该浑象使用了复杂的齿轮传动机构。非但如此，这台浑象还在中国仪象史上首次采用了自动报时装置。《新唐书·天文志》是这样描述该套装置的：“立二木人于地平上：其一前置鼓以候刻，至一刻则自击之；其一前置钟以候辰，至一辰亦自撞之。”可见，这套装置能够自动报出时辰和时刻来，人们只要听到钟鸣或者鼓响，就可以知道当时时刻。这与近代机械钟表史上的自鸣钟的鸣响作用是一样的。唐代以后，历代水运浑象大都设有自动报时装置，就是受一行水运浑象启发的结果。
到了宋代，水运浑象的制造出现了新的高峰，北宋太平兴国四年(979年)，民间天文学家张思训设计制作了一台浑象。《宋史·天文志》详细记载了该浑象的结构及功能：“其制：起楼高丈余，机隐于内，规天矩地。下设地轮、地足；又为横轮、侧轮、斜轮、定身关、中关、小关、天柱；七直神，左摇铃、右扣钟、中击鼓，以定刻数，每一昼夜，周而复始；又以木为十二神，各直一时，至其时则自执辰牌，循环而出，随刻数以定昼夜短长……”从这段记叙来看，张思训所献浑象结构相当庞大，它的所有机械装置都隐藏在浑象里边。浑象用一个大圆球象征天，圆球的一半被矩形的外柜所遮蔽，柜子代表地。它所能表现的各种天体运行情况，与一行梁令瓒水运浑象相仿。在报时系统上，张思训又向前发展了一步。他用了7个木偶神像来摇铃、敲钟、击鼓，以音响信号报刻；同时又设计了12个木偶神像，让它们分别抱着写有12个时辰之一的时辰牌，用时辰牌报时。每到一个时辰，抱有相应时辰牌的木偶神就自动出现，直到下一时辰才消失，而抱有下一时辰牌的木偶神则随之露面。这样周而复始，循环反复，只要看时辰牌，就可以知道当时的时辰。用这种方法，既形象又直观。将音响报时与时辰牌显示相结合，这是张思训的一个创造。
非但如此，张思训还考虑了水的粘滞系数受温度变化影响而造成漏刻排水量不稳定的情况。他认为冬天气温低，水的粘滞性大，这就导致漏壶泄水速度下降，而浑象是用漏壶泄出的水带动的，这就容易造成其报时“寒暑无准”现象的发生。为了解决这一问题，他以水银代替水，取得了较好的效果。今天看来，水银粘滞系数受温度变化影响不大，气温低时也不易凝结，因此用水银代替水，应能取得好的效果。但水银易蒸发为汞蒸气，而汞蒸气对人体有害，加之用水银成本也比较高，因此后世浑象未见再有以水银为动力源的。
北宋水运浑象的特点是规模庞大。北宋元佑七年(1092年)，在吏部尚书苏颂主持下，吏部官员韩公廉设计制作了一台较之张思训浑象规模更为宏大的水运仪象台。苏颂还为这座水运仪象台写了一部书，叫做《新仪象法要》。通过这部叙说详细、图文并茂的着作，可以大致了解该仪器的结构、原理和功能。
苏颂一韩公廉水运仪象台共分3层。上层安放浑仪，这是一种天文测量仪器，也可以用于测时。中层安放浑象，用于模拟天体运动情况。下层是报时系统。整座水运仪象台用一套漏壶中泄出的水作为动力。仪象台内部安装了复杂的机械传动装置，通过漏壶中泄出的水的推动，使浑象所演示的内容大致与实际天象符合，并通过下层的报时系统，将相应的时间报出。
水运仪象台的报时系统相当完善。它被分为5部分，置于5层木阁之中。第一层用声响报时：在木阁上开了3扇门，左侧门内的木偶通过摇铃报告每个时辰的时初，右侧门内的木偶通过撞钟报告每个时辰的时正，中间门内的木偶则是用来报告刻数的，每到一刻，它就自动敲鼓。第二、三层木阁则通过木偶以时牌报时。第二层共安装了24个木偶，分别持有书写了12个时辰的时初和时正的木牌，每到相应时间，手拿时牌的木偶就会出现在这层木阁的一扇小门内，使人一目了然。第三层木阁则安装了96个手持报刻牌的木偶，使其轮流出现在相应的小门内，报告当时的具体刻数。木阁的第四、第五层则专门用来报告夜间时刻。第四层通过木偶敲钲报告更点，第五层则通过木偶手持夜时牌来报告具体的夜间时刻。苏颂一韩公廉水运仪象台不仅吸取了张思训浑象音响报时与时牌报时的长处，还增加了夜间报时，丰富了报对内容，这使其报时部分的功能更为完善，使用起来也更方便了。
苏颂以后，人们继续制作了一一些水运浑象，但其规模及复杂程度，比起苏颂的水运仪象台，就要相形见绌了。到了元代，郭守敬制作了一台叫做大明殿灯漏的计时仪器，这台仪器去掉了传统水运浑象用于演示天体运行的那部分内容，成了一台纯粹用漏壶中流出的水来带动的机械钟表。大明殿灯漏的发明，是传统水运浑象向计时仪器发展的具体表现。
除了浑象以外，浑仪也可用于计时。浑仪是古代重要的天文观测仪器，用以测定各种天体的有关坐标，这与以模拟演示天体运动为主要功能的浑象在本质上是不同的。浑仪的起源时问，学术界还有不同看法。一般认为，浑仪是汉武帝时期天文学家落下闳等人发明的。《晋书·天文志上》说：“暨汉太初，落下闳、鲜于妄人、耿寿昌等造员仪以考历度。”《隋书·天文志》也说：“落下闳为汉孝武帝于地中转浑天，定时节，作泰初历。”这里提到的员仪、浑天，就是指的浑仪。由此，浑仪的发明时间，至迟可以定在汉武帝时期。
浑仪的主要部件是窥管。窥管是根中空的管子，起瞄准作用。人跟在管子下端，通过管子瞄准所要观测的天体。窥管夹在一个双重圆环中间，可以在这个双环里滑动，双环又可以绕两个支点转动，使得双环所在平面可以扫过全天球。这样，借助于双环的旋转和窥管的滑动，可以使得窥管指向天空任何一个区域。除此之外，浑仪上还有一些代表各种天文意义的环圈和支承结构，例如与地平面平行的地浑环，代表赤道面的赤道环、天常环，象征东西方向的卯酉环和南北方向的子午环，等等。在有关环圈上标有刻度，当窥管对准所需观测的天体时，从相应环圈上的刻度就可以读出该天体的有关天文坐标。所以，浑仪主要是用来进行天文观测的。
既然浑仪是一种天文观测仪器，那么，只要用它测出太阳在空中的时角变化，就可以知道相应的时间。这正是浑仪可以用于计时的根本原因。对此，至迟在唐代，人们已经有所认识。唐初天，文学家李淳风设计过一台浑仪，叫浑天黄仪。《新唐书·天文志》说该浑仪能够“仰以观天之辰宿，下以识器之晷度”，“识晷度”就意味着可以根据太阳的位置测知时间。在该仪器有关环圈上刻有十二辰的标志，十二辰是时间单位，这正是它可以用于计时的证明。嗣后，在一行、梁令瓒设计的浑仪——黄道游仪上，也刻上了时刻标志，而且是昼夜百刻，比李淳风的刻画更为精细。这种刻画，显然是为了测定时刻。从此以后，在浑仪上刻画时间标志，成了历代遵循的惯例。
古人利用浑仪计测时间，有一个演变过程。在唐代，浑仪上的时刻标志是分布在地平环上的，这并不科学，其原因与前述地平式日晷不如赤道式日晷计时准确的理由类似。这种情况一直持续到北宋皇佑三年(1051年)，舒易筒、于渊、周琮等人主持制造了一台浑仪，在这台浑仪上，时间标志均匀分布在天常环上。天常环与赤道平行，因此根据天常环上的刻度就可以知道被观测天体的时角变化。这种情况与利用赤道式日晷计时相仿，它解决了太阳在空中不同位置时单位时间内的周日视运动在地平环上的投影不均匀的现象，使得浑仪测时精度有了大幅度提高，是天文测时的一大进步。
利用浑仪测时可以获得较高的计时精度。因为浑仪尺寸较大，其天常环上的时刻分划可以做得相当精细，这就有利于计时精度的提高。例如现存于南京紫金山天文台的明代浑仪，其天常环上的时刻标志最小单位为一刻的1／36，相当于现代的24秒，如果估读，还可以再精确些。对于古代其他计时仪器而言，要达到这样的精度，有相当的难度，这充分表现了浑仪计时的优越性。
16世纪末，西方传教士——进入中国，把欧洲钟表也带了进来。这些钟表很快引起中国人的兴趣，他们经过摸索，逐渐了解了其构造，掌握了其中的奥妙及制作技术，并发展起了自己的钟表制造业。广州、苏州就是当时国内着名的两个机械钟表制造中心。现在在北京故宫博物院还有一个钟表馆，珍藏许多清初以来的钟表，其中有不少是中国自己制造的，它们制作精巧、美观而又复杂，充分反映了当时中国高超的钟表制作技术。
测影验气定岁首
在传统历法中，回归年的作用无与伦比。所谓回归年，是指太阳视圆面中心相继两次过春分点所经历的时间。通俗地说，太阳在空中的周年视运动，表现为从南到北又从北到南的回归性。在不同的季节，每天正午仰视太阳在正南方位的高度，会发现它是不一样的。冬至前后，太阳最靠南，中午时候太阳照射在地面物体上所形成的影子是一年之中最长的；过了冬至以后，太阳逐渐向北回归，夏至前后，每天中午太阳几乎到了人的头顶之上(就地球北半球中纬度地区而言)，这时它对地面物体的投影是一年之中最短的。夏至以后，太阳又逐渐向南移动，经过半年时间，重新回到冬至点。太阳完成这样一个由南到北又由北到南的运动所经历的时间，就是一个回归年。在一个回归年之内，地面上的气候也经历了从寒到暑又从暑到寒这样一次完整的变化。因为太阳的运动直接决定了地球上任一点气温变化情况，所以回归年长度对于反映地面气温变化周期就具有重要作用，这就决定了它在历法中极其重要的独特地位。任何一部历法，都得拿出自己的回归年数值，古人把它叫做岁实。
可以设想，既然岁实反映了太阳回归运动周期，只要测出太阳在回归运动中连续两次过某一天文点的准确时间，就可以推算出回归年的长度来。换句话说，只要准确测出太阳到达某一地平高度的时间，就可以求出岁实来。看来问题非常简单：要推算回归年长度，只要用浑仪观测每天中午时太阳的地平高度就可以了。
可是，在实际操作中，却此路不通。日光耀目，使人不能直视，用直接观测法去测量太阳地平高度，很难办到。要测算回归年长度，必须另辟蹊径。对此，古人选择了立表测影的方法。
因为太阳在空中处于不同的地平高度时，它照射在地面同一物体上所形成的影子长短也不同，这启发古人想到，可以通过测量地上物体影子长短逆推太阳在空中的位置。《汉书·天文志》把这一思想表达得非常清楚：“日去极远近之差，晷景(同影)长短之制也。去极远近难知，要以晷景。晷景者，所以知日之南北也。”即是说，太阳在做南北回归运动时，它离开天极的远近，决定了地面表影的长短。太阳离开天极的远近难以直接测知，只有通过测量表影才能间接知道。测量表影的目的，就是为了推知太阳在空中的方位。
用立表测影法测定回归年长度，简便易行，只要通过对具有极值意义的影长的测定，就可以直接判定回归年的长度。例如一年之内中午时刻影子最短的日子相应于夏至，这时太阳最靠北，叫日北至；而影子最长的日子则相应于冬至，这时太阳最靠南，叫日南至。不管是南至还是北至，只要准确测定其中任何一个的具体时刻，连续测量两次，就可以推算出回归年的长度来。在历史上，中国古人选择的是对日南至即冬至点的测定，这与他们对冬至的认识有关，正如《后汉书·律历志》所言：“日周于天，一寒一暑，四时备成……谓之岁，岁首至也。”四时，指的是春夏秋冬四季。太阳在天空做回归运动，每过一个周期，地上的气候就经历一次春夏秋冬的寒暑变化，这叫做岁。显然，岁就是回归年。而“岁首至也”，至是冬至，即冬至是一个回归年的开始。由此，只要测出两次冬至发生时刻，求出它们的时间间隔，再用这两次冬至之间的年数去除，就可以得到一个回归年的长度。这是中国古人测定回归年长度的基本思路。
古人认为，自然界是由阴阳二气构成的，并且阴阳二气处于不停的推移运动之中。冬至是阳气开始萌生的时刻，夏至是阴气开始萌生的时刻。一年24个节气，每个节气都对应着阴阳二气的不同状态，而这些节气又反映了太阳在黄道上的不同位置，可以通过立表测影的方法将其确定下来。由此，立表测影本身也是对阴阳二气的一种测验，古人把它叫验气。验气的实质是测定二十四节气，其中最重要的，则是对冬至和夏至的测定。
中国先民对冬至和夏至的认识相当早，甲骨文里已经有了“日至”的记载。《左传》中则出现过两次“日南至”的记录，表明当时已经有了对冬至的观测。一般认为，大约最晚在春秋中期，用测日中影长的方法来定冬至和夏至，已经成为历法工作的重要手段。
测量日中影长有一种专用工具，叫土圭。土圭一般是用玉制作的。《考工记·玉人之事》条记载土圭的形制和功用说：“土圭，尺有五寸，以致日，以土地。”“致日”，就是测量日中表影长度以求日至；“土”是度的意思，“土地”即测量地域。由此可知，土圭是一种长为1尺5寸的玉质工具，它用以测量日中时表影长度，以之判定冬夏至，还可以用来量度地域。