У вас в проведенном эксперименте зависимость от времени в заведомо неравновесной системе. А в почве будет градиент температур. То есть эксперимент с морозилкой и одним датчиком - совсем не то же самое, что ситуация с градиентом температур и многими датчиками. Если я правильно понял, у вас время логирования много больше нескольких часов (времени достижения равновесия), и система придет в некое квазиравновесное состояние. Все что имеет равновесную температуру ниже нуля - закристаллизуется, все что выше - останется жидким.

А терморезистор в паре с АЦП не справятся? На уровне идеи - использовать в кач-ве терморезисторов отрезки греющего кабеля для водопровода. В точке замерзания у того, что я использую, довольно круто меняется сопротивление.