張衡製成水運渾象後，曆代都有人模仿試製，例如三國時東吳的王蕃、葛衡，南北朝時期劉宋的錢樂之、梁代的陶弘景，隋代的耿詢等。其中在水運渾象的製作方麵做出顯著進步的是唐代著名天文學家一行和梁令瓚。唐開元十一年(723年)，一行和梁令瓚合作設計製造了一台“渾天銅儀”，這是中國曆史上又一台具有重要地位的水運渾象。它在模擬天體運動方麵與張衡水運渾象類似，可以形象地演示日月星辰在天空中的相對位置及其周日視運動情況。因此，根據渾象上太陽的周日運動，可以知道當時具體時刻，觀察渾象上太陽與恒星之間相對位置的變化，可以知道當時所處的節氣。由此，該渾象具有計時功能，這是可以肯定的。
一行水運渾象內部結構非常複雜，《新唐書·天文誌》說它“皆於櫃中各施輪軸，鉤鍵關鎖，交錯相持”。這表明該渾象使用了複雜的齒輪傳動機構。非但如此，這台渾象還在中國儀象史上首次采用了自動報時裝置。《新唐書·天文誌》是這樣描述該套裝置的：“立二木人於地平上：其一前置鼓以候刻，至一刻則自擊之；其一前置鍾以候辰，至一辰亦自撞之。”可見，這套裝置能夠自動報出時辰和時刻來，人們隻要聽到鍾鳴或者鼓響，就可以知道當時時刻。這與近代機械鍾表史上的自鳴鍾的鳴響作用是一樣的。唐代以後，曆代水運渾象大都設有自動報時裝置，就是受一行水運渾象啟發的結果。
到了宋代，水運渾象的製造出現了新的高峰，北宋太平興國四年(979年)，民間天文學家張思訓設計製作了一台渾象。《宋史·天文誌》詳細記載了該渾象的結構及功能：“其製：起樓高丈餘，機隱於內，規天矩地。下設地輪、地足；又為橫輪、側輪、斜輪、定身關、中關、小關、天柱；七直神，左搖鈴、右扣鍾、中擊鼓，以定刻數，每一晝夜，周而複始；又以木為十二神，各直一時，至其時則自執辰牌，循環而出，隨刻數以定晝夜短長……”從這段記敘來看，張思訓所獻渾象結構相當龐大，它的所有機械裝置都隱藏在渾象裏邊。渾象用一個大圓球象征天，圓球的一半被矩形的外櫃所遮蔽，櫃子代表地。它所能表現的各種天體運行情況，與一行梁令瓚水運渾象相仿。在報時係統上，張思訓又向前發展了一步。他用了7個木偶神像來搖鈴、敲鍾、擊鼓，以音響信號報刻；同時又設計了12個木偶神像，讓它們分別抱著寫有12個時辰之一的時辰牌，用時辰牌報時。每到一個時辰，抱有相應時辰牌的木偶神就自動出現，直到下一時辰才消失，而抱有下一時辰牌的木偶神則隨之露麵。這樣周而複始，循環反複，隻要看時辰牌，就可以知道當時的時辰。用這種方法，既形象又直觀。將音響報時與時辰牌顯示相結合，這是張思訓的一個創造。
非但如此，張思訓還考慮了水的粘滯係數受溫度變化影響而造成漏刻排水量不穩定的情況。他認為冬天氣溫低，水的粘滯性大，這就導致漏壺泄水速度下降，而渾象是用漏壺泄出的水帶動的，這就容易造成其報時“寒暑無準”現象的發生。為了解決這一問題，他以水銀代替水，取得了較好的效果。今天看來，水銀粘滯係數受溫度變化影響不大，氣溫低時也不易凝結，因此用水銀代替水，應能取得好的效果。但水銀易蒸發為汞蒸氣，而汞蒸氣對人體有害，加之用水銀成本也比較高，因此後世渾象未見再有以水銀為動力源的。
北宋水運渾象的特點是規模龐大。北宋元佑七年(1092年)，在吏部尚書蘇頌主持下，吏部官員韓公廉設計製作了一台較之張思訓渾象規模更為宏大的水運儀象台。蘇頌還為這座水運儀象台寫了一部書，叫做《新儀象法要》。通過這部敘說詳細、圖文並茂的著作，可以大致了解該儀器的結構、原理和功能。
蘇頌一韓公廉水運儀象台共分3層。上層安放渾儀，這是一種天文測量儀器，也可以用於測時。中層安放渾象，用於模擬天體運動情況。下層是報時係統。整座水運儀象台用一套漏壺中泄出的水作為動力。儀象台內部安裝了複雜的機械傳動裝置，通過漏壺中泄出的水的推動，使渾象所演示的內容大致與實際天象符合，並通過下層的報時係統，將相應的時間報出。
水運儀象台的報時係統相當完善。它被分為5部分，置於5層木閣之中。第一層用聲響報時：在木閣上開了3扇門，左側門內的木偶通過搖鈴報告每個時辰的時初，右側門內的木偶通過撞鍾報告每個時辰的時正，中間門內的木偶則是用來報告刻數的，每到一刻，它就自動敲鼓。第二、三層木閣則通過木偶以時牌報時。第二層共安裝了24個木偶，分別持有書寫了12個時辰的時初和時正的木牌，每到相應時間，手拿時牌的木偶就會出現在這層木閣的一扇小門內，使人一目了然。第三層木閣則安裝了96個手持報刻牌的木偶，使其輪流出現在相應的小門內，報告當時的具體刻數。木閣的第四、第五層則專門用來報告夜間時刻。第四層通過木偶敲鉦報告更點，第五層則通過木偶手持夜時牌來報告具體的夜間時刻。蘇頌一韓公廉水運儀象台不僅吸取了張思訓渾象音響報時與時牌報時的長處，還增加了夜間報時，豐富了報對內容，這使其報時部分的功能更為完善，使用起來也更方便了。