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渾天儀又稱渾象，是我國古代研究天文的主要儀器，據說這種儀器起源很早，在堯舜時代就有，但是製作比較完善，在史書上有比較明確的記載的，張衡算是第一位。
張衡的渾天儀是根據渾天說的理論演繹而來，他為了證明渾天說宇宙觀的正確性，而於東漢順帝永建五年（西元117年）設計製造了一座渾象。
正確的說，張衡的渾天儀又稱做漏水轉渾天儀，為精銅鑄成的球體模型，裡面有幾層圓圈可以轉動，轉動的方式以四分為一度，周天一丈四尺六寸一分，是一個刻滿赤道、黃道、南北極、節氣、日月星辰的球狀物。
§ 渾儀結構
渾儀的主要部分有三重，包括六合儀、三辰儀和四游儀，此外並有窺管和座架。
六合儀：位於最外的一重，由三套聯結在一起的環組成，固定不動。
天元子午圈：為正立的雙環，兩面都刻著周天度數，沒有數字。
地平圈：為平臥的單環，外弧面刻干支八卦表示方向，內面刻分野，環周有水渠，用來定水準。
天常赤道圈：為側立的單環，上面刻著十二時一百刻，每時初中各四大刻一小刻。
三辰儀：位於中間的一重，由四套環組成，可以在六合儀內東西旋轉。
二至圈：為南北向的雙環，二面各從南極起刻半周天一百八十二度多。
二分圈：為南北向的單環，沒有刻度。
游旋赤道圈：為東西向的單環，去極各九十一度多，上面刻著二十八宿。
黃道圈：為雙環，與赤道圈相交為二十四度，內面斜刻著二十八宿。
四游儀：位於最內的一重，由一套環和天軸組成，可以在三辰儀裏東西旋轉。
四游圈：為南北向的雙環，環面從北極開始刻著半周天一百八十二度多。
天 軸：為南北向的雙條。
窺 管：為方形，貫於天軸中心，中有圓孔，管長與環齊，可以在四游圈雙環裏及天軸雙條中間移動。
§ 原理基礎
渾天儀是利用齒輪與設計巧妙的水力〝滴漏〞，帶動渾象繞軸旋轉，使渾象的轉動與地球的周日運動相等，渾象每轉一圈，也就等同於天體自轉一圈。
〝渾天儀果真能觀測天象？〞當時的人們頗為懷疑。
張衡為了證明他的渾天儀真的能觀測天象，便進行了測試。當他在室內依據渾天儀顯示說出星星的位置時，竟與在戶外觀天象的人所看到的星象相吻合，人們始相信渾天儀真的能夠準確的測量天象。我們可以說，張衡的渾天儀是根據以往的製作研究改進而成，是成熟度相當高的作品。
整座水運儀像台分為三層，分別為最底層的動力系統，以水力傳動，故稱為「水運」，第二層的渾象是模擬天體運轉的儀器稱為「象」，而位於最上層的為觀測天體運行的渾儀稱為「儀」，以三個主要系統構成天文觀測台，是世界上最早的天文觀測站。
1.底層
擒縱系統：
如同整座儀象台的心臟，藉由各部系統的運作牽引齒輪傳動，使整座儀象台運轉。
運動方式：
位於樞輪上的受水壺在承接水量時，並不能穩定的受水，因此一種名為「天衡」的裝置用來避免此種情形發生，另外在受水壺下方裝置有兩組槓桿裝置，首先為樞衡與格叉，格叉主要是用來控制受水壺的活動橫條，當受水壺的重量大於另一方平衡重量用的樞衡時，格叉被往下推使受水壺頃瀉同時壓迫關舌，此時天條牽引天衡打開左天鎖，左天鎖是用來控制樞輪向前轉動的卡筍，這時受水壺內殘餘的水藉由重力牽引鬆脫的樞輪，樞輪向前傳動，受水壺錯位一格從覆上述動作。
打水系統：
如同整座儀象台的血管，主要由河車、昇水上輪、昇水上壺、昇水下輪、昇水下壺構成。
運動方式：
一開始由昇水下壺裝滿水牽引昇水上、下輪轉動將水從下至上帶動並倒入屬於擒縱系統的天河中，並經由天河將水倒入天池中，天池的主要功能為蓄水，並會定量的流入位於下方的平水壺，平水壺底下裝置有泄水管及一固定口徑的壺嘴，平水壺的水藉由壺嘴來保持固定的水位及流量，並將水輸入位於樞輪上的受水壺，樞輪為一直徑2.99公尺的轉輪，平均設置36只受水壺，當其中一只受水壺裝滿水時會造成樞輪兩邊失衡而牽引樞輪傳動，而當傳動時受水壺上的水就會頃倒至下方的退水壺，而另一個受水壺會重覆上述步驟，如此週而復始不停傳動。
報時系統：
配合傳動裝置，利用人偶的敲擊聲及刻在 木偶身上的時辰報時。
2.中層
「渾象」在水運儀象台發明前即由蘇頌發明，渾象的外觀主要是由星圖構成的球體。中國人相信天是會轉動的，故渾象配合傳動裝置主要用來模擬星空的運轉，而進行天文的觀測方式主要是坐在渾象裏面。
3.上層
「渾儀」蓋利用觀測及座標等技術為主的測量器材統稱為「儀」，渾儀是由東漢張衡整合渾天學說所設計之天文觀測儀器，而被後來的蘇頌等人發揚光大，組合至水運儀象台上方，主要功用為配合中層渾象的觀測以達到最精準的觀測結論。
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儀象台上方的渾天儀
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渾天儀近照
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中層的渾象
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