渾象為一球體，直徑四尺五寸六分（約1.44米）。球麵上繪有283個星座，1464顆星辰，並繪有銀河，黃赤道和二分、二至的位置。渾象下有木櫃，使之一半露於櫃外，一半隱於櫃中。渾象經傳動機構與驅動係統相連，可隨機軸由東向西轉動，和天體的視運動一致，使球麵上星辰的位置和實際天象相合。
渾儀亦經由傳動機構與驅動係統相連，可隨天球轉動，以觀測天象。這是現代天文台跟蹤儀器——轉儀鍾的先驅。其覆蓋的活動屋板，則開了現代天文台自由啟閉式屋頂的先河。
整個水運儀象台結構精密、巧妙，標誌著中國當時的天文儀器和機械製造的高超水平。現國內外學者已公認它是世界第一座天文鍾，並認為是現代天文鍾的祖先。
最早的指南針
李約瑟論證了磁羅盤是從中國傳到歐洲去的論點。在歐洲的文字記載中，首次提到磁羅盤是在1190年。當時亞曆山大·尼卡姆在《來自大自然》一書中寫道：“海上航行的水手們在晴天可以靠陽光導航，但是遇上陰天或在漆黑的夜晚，就無法辨別此時船正駛向羅盤的哪個方位。於是，他們就用一根針觸一下磁鐵，然後旋轉此針，當針停止旋轉後，針就指向北方。”
磁羅盤似乎不是經阿拉伯地區傳入歐洲的。因為直到大約1232年，阿拉伯的文字中才出現關於磁羅盤的記載。記載描述了當時的水手用經磁石磨擦過的魚形鐵片來辨別方向的情景。而這魚形鐵片是非常典型的中國式樣。由此看來，歐洲人和阿拉伯人通過在航海時與中國人的接觸，大約是在相同的時間內獲得了航海磁羅盤。隻不過歐洲人也許要比阿拉伯人早幾十年擁有磁羅盤。
我們可以從當時的書籍中發現能證明上述觀點正確的依據。中國中世紀的科學家沈括在其著名的著作《夢溪筆談》（約刊印於1086年）中清楚地寫道：“術士用磁石磨一根針的針尖，針尖就能指向南方……在指甲上或碗口上也同樣可以指向，且其轉動的速度很快。但這些支承物堅硬而平滑，針容易墜落。最好用一根新蠶絲以芥子大小的蠟拴在針的中心位置，吊在一個無風之處，它就會指向南方。其中有些針磨了以後可以指北。我家有指南的也有指北的針。”
這段文字記載的年代要先於歐洲首次提到磁羅盤的年代整整1個世紀。
李約瑟評論說：“沈括提到的指南、指北兩種針當然是在天然磁石的兩極進行了磁化的……沈括描述的實驗條件說明了當時人們做了大量仔細的研究。
懸掛時僅用一根絲線可以避免因絲線相互纏繞所產生的影響；采用絲線意味著線僅由一條纖維組成，而不像麻線（幾乎可以肯定地說，在沈括所處的時代，棉還不為中國所知），麻線是由多根短纖維在拉力作用下紡成的；采用新的絲線則說明，線上的彈性應處處保持一致。”
朱彧於公元1117年寫的《萍洲可談》一書中，也有關於中國人使用航海磁羅盤的明確記載。該書同樣是在歐洲首先提到磁羅盤之前寫就的。朱彧的父親曾是廣州港口的高級官員，後又做了廣州的知州。在這部名稱有些古怪的書中，朱彧寫道：“根據官府對海船的規定，大船可載數百人，小船可載百餘人……舵手熟悉海岸構造；夜間根據星辰的位置掌舵行船，白天則根據太陽的位置辨向駕駛。在陰天及無星月的夜裏則看指南針辨向。他們還可以用一根端部帶鉤的30米長的繩子放下去，取海底的泥嗅一嗅，就知道他們到達了什麼地方。”
文學家孟元老在他的《東京夢華錄》（約公元1126年）中寫道：“在黑夜或雨大，或多雲之夜，水手靠羅盤行船。由大副負責此事。”
在《宣和奉使高麗圖經》（1124年）中，作者徐兢寫道：“夜裏常常不能停船，因為風和海能使其漂移，所以舵手隻有靠星星和大熊星座來辨向駕駛。如果夜間多雲則使用指南浮針來測定南北。”
以上兩段文字記載也都早於歐洲關於羅盤的文字記載。
很明顯，用一條天然磁石來指示方向是磁羅盤最初和最簡單的形式，它比使用磁針這一先進方法要早很長的時間。究竟是在什麼時期中國就開始使用天然磁石羅盤（即司南）？如果羅盤在開始之時不是用於導航，又是用於什麼目的呢？
我們有把握將中國使用天然磁石羅盤的年代追溯到公元前4世紀。當時一部名為《鬼穀子》的書（書作者不詳，但有人認為可能是思想家蘇秦）對此有過記載。書中有一段文字寫道：“故鄭人之取玉也，必載司南，為其不惑也。”另一條記載出自思想家韓非子公元前3世紀寫的《韓非子》一書，從中我們可以讀到：
“臣民侵犯國君及其君權，就像漂移的沙丘和堆積起來的土坡逐漸形成一樣。這就使君主忘卻其位置，把東西方向搞反了而不自知。所以古代君王設立司南，以區分朝夕的方向。”