Похоже, проблему "высокоточных" измерений можно считать решенной. Для этого предпринял 2 шага: сделал из 2 термопар одну дифференциальную, скрепив их навстречу друг. Таким образом, удалось вынести холодный спай вне УКТ. Второй шаг: поместил холодный спай в лед. Теперь показания термометра и термопары не отличаются больше чем на 0.1 градуса в измеряемом диапазоне температур за исключением редких случаев когда скачет температура самого воздушного потока - тут Ваш первый пункт абсолютно верен. В общем, теперь с удовольствием занимаюсь ловлей блох.
Природу нелинейности термопары можно побороть градуировкой термопары вместе с эталонным термометром или термопарой.

Спасибо за ответы, за дискуссию.