наиболее предпочтительный вариант инерционного датчика - термопара (можно найти миниатюрную, но будут сложности с врезкой в поток). Про другие типы (терморезисторы и полупроводники) скажу, что так же трудно найти малоинерционный герметичный конструктив.
А потому, если нужна быстрореагирующая система, то нужно:
1) малоинерционный датчик измеряющий к/л физическую в-ну, зависящую от температуры
2) Гибкий нелинейный или адаптивный алгоритм регулирования.

по п.1. можно пытаться мерить:
плотность (ультразхвуком), в-ну ИК изхлучения, как экзотический в-нт.м.б. ёмость-проводимость ?????

В общем-то всё нетривиально, особенно в области алгоритма регулирования.

Буду ещё шевелить мозгами (сейчас убегаю на совещание )))))
Если чего придумаю - чиркну.